Интернет сети и услуги

Media Gateway Controller или Softswitch. Это ключевой элемент в инфраструктуре мультисервисных сетей. Название «программный коммутатор» он получил потому, что выполняемые им функции реализованы программно. Однако, несмотря на присутствие в названии слова «коммутатор», Softswitch в действительности не выполняет никаких коммутирующих функций. Управление вызовами в типичном случае включает маршрутизацию вызовов, аутентификацию пользователя, установление и разрыв соединения и сигнализацию. Как уже говорилось, каждая сигнальная система имеет собственный уникальный набор характеристик, что делает взаимодействие между ними достаточно сложным. Softswitch должен «понимать» со стороны сетей PSTN протоколы управления вызовами, такие, как SS7, DSS1, со стороны же пакетных сетей он реализует протоколы H.323, SIP, MGCP/MEGACO. Softswitch служит интерфейсом между сетями с разными сигнальными системами, обеспечивая взаимодействие между ними либо прямо, либо с помощью шлюза SG. Softswitch управляет также шлюзами MG, применяя при этом протоколы MGCP, H.248 (MEGACO).

Архитектура коммутации NGN, которая отражена на рис. 2, состоит из четырех логических уровней. Независимость этих уровней означает, что элементы одного уровня могут свободно развиваться и модернизироваться без ущерба для других уровней и общего функционирования сети. Это позволяет быстро и гибко реагировать на новые требования бизнеса.

Рис. 2. Архитектура сети NGN

На уровне доступа осуществляется подключение терминалов к сети на основе применения разнообразных средств и преобразование формата исходящей информации в соответствующий формат, используемый для передачи в данной сети.

К уровню доступа относятся (рис.3): шлюзы; сеть доступа, сеть подвижной связи СПС, телефонная сеть общего пользования ТФОП, сеть передачи данных СПД. оконечное абонентское оборудование (факс, переносной компьютер, стационарный компьютер, телефонный аппарат, локальная сеть).

Транспортный уровень. Данный уровень отвечает за передачу трафика. При этом в качестве технологии передачи может использоваться мультиплексирование с разделением по времени (TDM), асинхронный режим передачи (ATM) или Internet-протокол (IP). Однако эффективность использования полосы пропускания, характерная для сетей с коммутацией пакетов, приводит к тому, что в сетях нового поколения, скорее всего, будут использоваться пакетные технологии ATM и IP.

Уровень коммутации. С его помощью поддерживается логика управления, которая необходима для обработки и маршрутизации трафика.

Уровень услуг поддерживает логику и базы данных, необходимые для предоставления услуг. Интеллектуальность услуг уходит из магистральных транспортных и коммутационных систем и переходит в новую вычислительную среду «надстроенную» над сетью -- в так называемый уровень управления услугами (service control plane). Гибкость архитектуры уровня управления услугами -- это важнейшее условие успешного функционирования мультисеривисных сетей.

Между уровнями находятся открытые интерфейсы, поддерживающие взаимодействие между оборудованием различных поставщиков. Интерфейсы между транспортным уровнем и уровнем управления соединениями -- это H.323, SIP, MGCP, INAP и другие.

Между уровнями управления соединениями и приложений также применяются открытые интерфейсы, однако в данном случае это не стандарты ITU, IETF и т.п., а созданные различными рабочими группами интерфейсы прикладного программирования --API.

На сегодняшний день мультисервисной сети в силу ряда причин еще не существует, несмотря на то, что многие организации осуществляют целый ряд попыток создания такой концепции на базе тех или иных технологических решений. Однако многие технологии для создания подобной сети уже внедряются в жизнь. Поэтому стоит говорить о некой конвергентной сети, которая является промежуточным этапом на пути к сети NGN. Конвергентная сеть должна соответствовать следующим трем основным требованиям: передача данных; передача информации в реальном времени; обеспечение качества обслуживания.

Необходимо также сказать о том, на базе какой транспортной сети осуществляется построение конвергентной сети. На сегодняшний день именно сети Internet и IP-технологии становятся основной движущей силой для конвергенции сетей, процессов и услуг, происходящей в сфере инфокоммуникаций.

Технология передачи речевой информации по сетям с маршрутизацией пакетов IP привлекает, в первую очередь, своей универсальностью -- речь может быть преобразована в поток IP-пакетов в любой точке сетевой инфраструктуры: на магистрали сети оператора, на границе территориально распределенной сети, в корпоративной сети и даже непосредственно в терминале конечного пользователя. Сейчас она стала наиболее широко распространенной технологией пакетной телефонии, будучи при этом хорошо адаптируемой к новым условиям применения. Несмотря на универсальность протокола IP, существует мнение, что IP-сети недостаточно надежны, плохо управляемы и не очень эффективны. Но грамотно спроектированная сетевая инфраструктура с эффективными механизмами обеспечения качества обслуживания, такими как MPLS, RSVP и др., делает эти недостатки малосущественными. Кроме того, сейчас протокол IP используется не только в сети Internet, но и в других сетях с пакетной коммутацией (локальных, корпоративных, региональных и др.) И во всех этих сетях имеется возможность передавать речевые сообщения с использованием пакетов данных. IP-технологии позволяют более эффективно использовать пропускную способность каналов связи при передаче речевой информации, чем в традиционной телефонии.

Рис.3.Взаимодействие уровней NGN

Взаимодействие сетей IP-телефонии и ТфОП

Очевидно, что в обозримом будущем IP-телефония не заменит традиционную, как предсказывают некоторые аналитики. Эти виды связи не исключают, а дополняют друг друга. Будет возрастать объем трафика, передаваемого по каналам IP-телефонии. В первую очередь это касается международной и междугородной телефонии. Такова основная тенденция. Продолжится совершенствование технологии IP-телефонии, будет увеличиваться количество доступных сервисов и улучшаться качество связи. Как следствие будет сокращаться число операторов, предлагающих «любое направление за цент».

Ключевым отличием пакетных технологий и ТфОП заключается в явном разделении доступа и услуг. В ТфОП услуги тесно связаны с технологией доступа. В пакетной сети доступ независим от сети услуг. И наиболее остро заметна разница при отделении транспорта от доступа и услуг. В ТфОП транспорт определяет какие услуги доступны и как они создаются. В пакетной сети транспорт состоит исключительно из маршрутизаторов и коммутаторов. Вся транспортная сеть обязана соединять доступ и услуги вместе.

При вхождении IP-телефонии в давно сформировавшееся глобальное телефонное общество необходимо соблюдение основных законов существующей ТфОП: - эксплуатационная надежность с тремя девятками после запятой, - жесткие нормы качества, - передачи речи в реальном времени и т.п.

Не менее законов, правил и норм важны традиции, сформировавшиеся за более чем столетний период существования ТфОП.

Поэтому не менее важно сохранить все привычные для пользователя действия, такие как набор номера, способ доступа к телефонным услугам и т. д. Таким образом,з абонент не должен ощущать разницы между IP-телефонией и обычной телефонной связью ни по качеству речи, ни по алгоритму доступа.

По тем же причинам весьма желательно обеспечить между ТфОП и IP-сетями полную прозрачность передачи пользовательской информации и сигнализации. Дело в том, что в отличие, например, от большинства корпоративных сетей связи, сети общего пользования не имеют национальных и ведомственных границ. IP-телефония должна обладать возможностью поддерживать совместную работу и обеспечивать информационную прозрачность с множеством стандартов связи, принятых в разных странах мира. Речь идет не только об электрической стыковке -- необходимо найти взаимоприемлемое решение таких задач, как взаимодействие протоколов верхних уровней и приложений, начисление платы и др.

Технология Softswitch

Всеобщий интерес начинают вызывать устройства, которые смогли бы обеспечить тесное взаимодействие сетей различных технологий не только на физическом уровне, но и на уровнях формирования и предоставления услуг. Совершенно ясно, что необходимо строить сети связи, которые бы поддерживали непрерывный контроль над формированием и предоставлением услуг и обработку вызовов клиента по одним и тем же правилам, гарантирующим запрошенный уровень качества обслуживания, независимо от того, как происходит транспортировка услуги и через какое оборудование она предоставляется клиенту.

Несмотря на кажущееся отличие пакетных и классических сетей и их конкуренцию между собой, они давно уже идут одним путем развития -- разделения уровней предоставления услуг (транспорт и коммутация), от средств формирования услуг (обработка вызовов по заданным правилам).

Так, внедрение на телефонной сети общего пользования наложенной сети сигнализации ОКС № 7, привело к возможности разделения путей следования речевого трафика и сигнальной информации и реализации архитектуры интеллектуальной сети с разделением уровня предоставления услуг (SCP) и уровня управления, формирования услуг (SSP, IP).

Применение такого подхода позволяет телефонным операторам, используя уже существующее оборудование, быстро и гибко формировать новые услуг и для предоставления их пользователям.

Если обратиться к пакетным сетям, то такое разделение (принцип декомпозиции шлюза) присутствует и здесь: шлюзы, устройства управления шлюзами и шлюзы сигнализации (последние два устройства могут объединяться и быть совмещены с устройствами формирующими дополнительные услуги).

Таким образом, возникла необходимость в неком сетевом элементе, обладающим следующими свойствами: - это должен быть «интеллектуальный» центр сети, основанный на открытых стандартах и поддерживающий все основные типы традиционной телефонной сигнализации и протоколы пакетной передачи информации, включая IP телефонию, и обеспечивающий эффективную маршрутизацию вызовов в разнородных сетях; - он должен иметь распределенную и масштабируемую архитектуру, предотвращающую отказы при больших нагрузках на сеть и обеспечивающую надежность не менее 99,999%; - он должен содержать модуль, позволяющий гибко контролировать сценарий обработки любой телекоммуникационной сессии (звонка); он долженпредставлять собой единый блок управления инфраструктурой сети и контроля над сессиями.

Объединение интеллектуальной периферии сетей связи независимо от применяемых ими технологий помогло реализовать решение, отвечающее вышеупомянутым пожеланиям операторов.

Если связать шлюзы не напрямую, а через промежуточное устройство -- программный коммутатор (от англ. Softswitch -- программный переключатель, коммутатор), к которому подключена система биллинга, то это позволит с минимальными затратами, без кардинального изменения схемы построения существующих сетей избавиться от типичных недостатков традиционных схем IP-телефонии (табл. 1).

Таблица 1

Сравнение современных АТС и систем Softswitch

Из таблицы 1 видно те преимущества, которые получат как операторы, так и пользователи, использующие программный коммутатор по сравнению с ТфОП. Таким образом, Softswitch соединяет в себе надежность и другие особенности, ожидаемые пользователями от стандартной телефонии, и эффективность, экономичность и гибкость сетей данных. Программное обеспечение предоставляет возможность взаимодействия неоднородных сетей, которые поддерживают широкий набор сигнальных протоколов (включая ОКС7, MGCP, H.323 и SIP).

Softswitch конвертирует различные протоколы сигнализации в единый формат, что упрощает введение новых протоколов. Эта возможность позволяет операторам ТфОП и IP-телефонии обеспечить возможность полного и прозрачного взаимодействия между ТфОП и IP-телефонии. К тому же эта трансляция улучшает возможность взаимодействия между межсетевыми шлюзами различных поставщиков, что предоставляет дополнительные возможности расширения рынка. Таким образом, программный коммутатор отвечает за авторизацию и аутентификацию клиента, генерацию CDR и конвертацию разных типов сигнализаций (SIP/H.323/MGCP/ISDN/ISUP).

Дорогостоящие традиционные АТС в единой структуре объединяют функции коммутации, функции управления обслуживанием вызовов, услуги и приложения, а также функции биллинга. Такая АТС представляет собой монолитную, закрытую системную структуру, как правило, не допускающую расширения или модернизации на базе оборудования других производителей.

Революционное изменение принес Softswitch. Он в корне изменил традиционную закрытую структуру систем коммутации, используя принципы компонентного построения сети и открытые стандартные интерфейсы между тремя основными функциями: коммутации, управления обслуживанием вызовов, услуг и приложений. В такой открытой, распределенной структуре могут применяться функциональные компоненты разных производителей. SoftSwitch является носителем интеллектуальных возможностей IP-сети, он координирует управление обслуживанием вызовов, сигнализацию и функции, обеспечивающие установление соединения через одну или несколько сетей (рис.4).

Рис.4. Softswitch в составе NGN

Huawei предлагает отдельные решения для NGN на основе Softswitch и IMS. Решение U-SYS NGN охватывает четыре уровня сетевой архитектуры («нижний» уровень разделен на уровни пограничного доступа и коммутации ядра). Уровень пограничного доступа представлен, в числе прочего, универсальным медиашлюзом UMG8900, который может использоваться как для подключения соединительных линий, так и для абонентского доступа, а также служить точкой соединения сетей фиксированной и мобильной связи. Шлюз имеет встроенное коммутационное поле TDM, которое позволяет замыкать часть трафика внутри самого устройства, а также интегрированный шлюз сигнализации. UMG представлен в двух вариантах: емкостью от 8 до 48 Е1 на полке и емкостью от 32 до 448 Е1 на полке. Также следует отметить мультисервисный узел доступа HONET UA5000, который сам по себе является отдельным решением. Это устройство поддерживает чуть ли не все ныне существующие типы доступа (аналоговая абонентская линия, ISDN BRA/PRA, E1, TDM G.SHDSL, V.24/V.35, E&M, FXO/FXS), все современные технологии xDSL (одна из «фишек» -- комбинированная плата со встроенными портами POTS, ADSL2+ и сплиттером), может работать в среде GPON, причем разные интерфейсные платы могут работать одновременно. Узел также поддерживает инкапсуляцию TDM для передачи по Ethernet, позволяет подключать высокоскоростных абонентов с помощью линейных связок EFM G.SHDSL. bis и реализовывать услуги IPTV. В числе фирменных особенностей -- функция улучшения качества звука в шумной обстановке (VQE). Что немаловажно: HONET UA5000 может использоваться и в качестве модуля абонентского доступа ТфОП, и в составе сети NGN. Переход к IMS требует лишь обновления программного обеспечения.

На уровне управления услугами архитектуры U-SYS NGN используется программный коммутатор SoftX3000, который может применяться в качестве оконечной, транзитной, междугородной, шлюзовой станции, узла коммутации услуг интеллектуальной сети (SSP) и т. д. Это типовой Softswitch, поддерживающий все основные виды сигнализации и функции. Аппаратная платформа построена на базе архитектуры открытых интерфейсов (OSTA); плавное расширение емкости обеспечивается путем добавления полок, которые соединяются через коммутатор локальной сети. При полной конфигурации SoftX3000 поддерживает до 360 тыс. соединительных линий TDM или до 2 млн. абонентов.

К решению U-SYS NGN среди прочего также относятся пограничный контроллер SessionBoardEngine2000, обеспечивающий сетевую безопасность и качество обслуживания, а также независимый шлюз сигнализации SG7000 и сервер медиа- ресурсов MRS.

Решения корпорации ZTE ориентированы скорее на мобильную связь, но поддерживаются и проводные интерфейсы. В системе ZTE Mobile Softswitch используется технология BYPASS, обеспечивающая бесперебойную работу при обрыве сигнальных соединений, а также реализована стратегия дублирования узлов TDM и IP. Среди прочего в систему входят: мультисервисный медиашлюз ZXMSG 900, который может использоваться как транзитный шлюз (до 336 тыс. портов), шлюз доступа (до 1 млн. абонентских подключений), шлюз сигнализации или медиасервер; шлюзы меньшей емкости ZXMSG 900 MT64 и MT256; управляющее устройство (собственно программный коммутатор) ZXSS10 SS1b, способное обслуживать до 2 млн. медиашлюзов (16 млн. абонентов / 1,6 млн. соединительных линий); пограничные контроллеры ZXSS10 B100 и B200, используемые для соединения с сетями других операторов и пользовательскими сетями. Сети NGN с использованием оборудования ZTE построены в Великобритании, Венгрии, Индии, Колумбии и в других странах.

ZTE также выпускает мультисервисный узел доступа -- ZXA10 MSAN с двойной шиной TDM+IP, обеспечивающий возможность подключения по аналоговым абонентским линиям, xDSL, xPON, FE/ GE LAN и т.д.

ZTE IMS Total Solution -- это решение «из конца в конец», включающее ядро сети, платформу услуг, OSS/BSS и IMS-терминалы. К основным его элементам относятся: контроллер сеансов ZXUN CSCF, отвечающий за управление вызовами, аутентификацию пользователей, обеспечение QoS и другие функции; сервер дополнительных услуг ZXUN SSS (сервер приложений, обеспечивающий некоторые дополнительные функции для услуг VoIP); сервер абонентских данных ZXUN HSS; платформа управления ресурсами и тарификацией ZXUN RSP, которая отвечает за политику QoS, контроль доступа к ресурсам и т.п. На оборудовании ZTE построены IMS-сети в Португалии, Саудовской Аравии. ZTE подписала контракты на строительство IMS-сетей для китайских операторов China Telecom и China Mobile, а также на полную реконструкцию сети крупнейшей турецкой компании фиксированной связи Turk Telecom (построение сети All-IP целиком на оборудовании ZTE).

IT-NGN

Cisco Systems располагает решениями как 4-го, так и 5-го класса. К четвертому классу относится Softswitch (или «протокольный шлюз») PGW 2200, который служит для соединения телефонной сети с коммутацией каналов и IP-сети по протоколам SIP и H.323; программный контроллер медиашлюзов работает на компьютерной платформе Sun Microsystems. Данное устройство управляет медиашлюзами серии MGW и «универсальными медиашлюзами» серий AS53XX и AS54XX. Softswitch BTS 10200 может выполнять функции как транзитного коммутатора, так и местной телефонной станции, а также обеспечивает доступ к платформам дополнительных услуг.

Cisco также предлагает решение под названием IP NGN. Это пакет устройств для транспортной инфраструктуры Интернета и мобильных сетей, состоящий из маршрутизаторов ядра CRS и пограничных Ethernet-маршрутизаторов ASR 9000 для агрегации трафика.

Миграция к NGN проходила эволюционно. Одновременно с консолидацией (укрупнением) узлов ТфОП проходило строительство транспортной сети IP/MPLS, а также установка мультисервисных узлов доступа и переключение на них абонентов. В 2007 году начался перевод в новую сеть других услуг, не имеющих отношения к ТфОП. В 2009 году была завершена трансформация ядра сети и оптической сети передачи, связывающей узлы 21CN.

Построение лаборатории в ТУИТ

В ТУИТе организована лаборатория IP сети с его филиалами вместе со всем оборудованием необходимым для организации видео, аудио конференций, передачи основной необходимой информации с основного корпуса к его филиалам, передачи отчетной информации из филиалов в ректорат ТУИТ и другой необходимой информации. Аудитории 102, 302, 401, 504 полностью оснощены оборудованием широкополосного доступа, маршрутизаторами, коммутаторами, IP телефонами, SIP телефонами, шлюзами, модемами, концентраторами, программным коммутатором, сервером с программным обеспечением, управляющим сервером, транспортным модулем и другое необходимое оборудование. Пример данной сети показаны на следующих рисунках.



Практическая работа № 11

Общая структура сети INTERNET. Стек протоколов ТСР/IР

Цель работы

Изучить основную структуру сети Интернет, оборудование и стек протоколов ТСР/IР. Назначение каждого протокола и их особенности.

Задание

Выполнить отчет и подготовиться к защите.

Теоретические сведения

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ИНТЕРНЕТ

1. Типы компьютерных сетей.

Компьютерная сеть состоит из двух или более компьютеров, которые связаны между собой средой передачи. Сети бывают трех видов: LAN, WAN, MAN

Локальные сети - Local Area Networks (LAN) - это сети компьютеров, сосредоточенные на небольших территориях (в радиусе не более 1-2 км). Из-за коротких расстояний в локальных сетях имеется возможность использования относительно дорогих высококачественных линий связи. Они позволяют, применяя простые методы передачи данных, достигать высоких скоростей обмена данными порядка 100 Мбит/с. В связи с этим услуги, предоставляемые локальными сетями, отличаются широким разнообразием и обычно предусматривают реализацию в режиме on-line (передача и прием любого вида информации).

Глобальные сети - Wide Area Networks (WAN) - объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах. Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, в глобальных сетях часто используются уже существующие линии связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, многие глобальные сети строятся на основе телефонных и телеграфных каналов общего назначения. Из-за низких скоростей таких линий связи в глобальных сетях (десятки килобит в секунду) набор предоставляемых услуг обычно ограничивается передачей файлов, преимущественно не в оперативном, а в фоновом режиме, с использованием электронной почты. Для устойчивой передачи дискретных данных по некачественным линиям связи применяются методы и оборудование, существенно отличающееся от методов и оборудования, характерных для локальных сетей. Как правило, здесь применяются сложные процедуры контроля и восстановления данных, так как наиболее типичный режим передачи данных по территориальному каналу связи связан со значительными искажениями сигналов.

Городские сети (или сети мегаполисов) - Metropolitan Area Networks (MAN) - являются менее распространенным типом сетей. Эти сети появились сравнительно недавно. Они предназначены для обслуживания территории крупного города - мегаполиса. В то время как локальные сети наилучшим образом подходят для разделения ресурсов на коротких расстояниях и широковещательных передач, а глобальные сети обеспечивают работу на больших расстояниях, но с ограниченной скоростью и с небогатым набором услуг, сети мегаполисов занимают некоторое промежуточное положение. Они используют цифровые магистральные линии связи, часто оптоволоконные, со скоростями от 45 Мбит/c и предназначены для связи локальных сетей в масштабах города и соединения локальных сетей с глобальными. Эти сети первоначально были разработаны для передачи данных, но сейчас они поддерживают и такие услуги, как видеоконференции и интегральную передачу голоса и пакета. Развитие технологий сетей мегаполисов осуществлялось местными телефонными компаниями.

Исторически сложилось так, что местные телефонные компании всегда обладали слабыми техническими возможностями и из-за этого не могли привлечь крупных клиентов. Чтобы преодолеть отсталость и занять достойное место в мире локальных и глобальных сетей, местные предприятия связи занялись разработкой сетей на основе самых современных технологий, например технологии коммутации ячеек SMDS или ATM. Сети мегаполисов являются общественными сетями, и поэтому их услуги обходятся дешевле, чем построение собственной (частной) сети в пределах города.

2. Структура Интернет

Сеть Интернет строится на основе объединения физических сетей (LAN,WAN). Совокупность этих сетей составляет сеть в целом. Сети, входящие в составную сеть, называются подсетями (subnet). Компонентами составной сети могут являться как локальные, так и глобальные сети. Все узлы в пределах одной подсети взаимодействуют, используя единую для них технологию. Так, в составную сеть, показанную на рис.1, входит несколько сетей разных технологий: локальные сети Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI, и глобальные сети frame relay, X.25, ISDN.

Подсети соединяются между собой маршрутизаторами (routers).

Маршрутизатор изолирует трафик отдельных частей сети друг от друга. Важной функцией маршрутизаторов является их способность связывать в единую сеть подсети, построенные с использованием разных сетевых технологий, например Ethernet и X.25. Физически соединяя подсети друг с другом, маршрутизатор с помощью специального программного обеспечения передает пакеты из одной сети в другую.

Технология Интернет не навязывает определенных топологий межсетевых соединений. Добавление новой сети к Интернету не влечет подсоединение ее к какой-то центральной точке коммутации или установление физического соединения со всеми входящими в сеть Интернет сетями. Маршрутизатор “знает” топологию Интернет сети за пределами тех физических сетей, которые он соединяет, и на основе адреса сети назначения передает пакет по тому или иному маршруту.

Фундаментальный принцип сети Интернета - равнозначность всех объединенных в ней физических сетей: любая система коммуникации рассматривается как компонент Интернета, независимо от ее физических параметров, размеров передаваемых пакетов данных и географического масштаба.

Рис.1 Архитектура составной сети.

С точки зрения конечных пользователей и по отношению к прикладным программам Интернет представляет собой единую виртуальную сеть, к которой подсоединены компьютеры (хосты) независимо от их реального физического соединения. Причем каждый компьютер должен иметь программное обеспечение доступа к Интернету, который позволяет прикладным программам использовать Интернет как одну физическую сеть (рис.2.).

Рис.2. Сеть Интернет с точки зрения пользователя

2.3. Протокол TCP/IP

Множество компьютеров по всему миру объединены в единую сеть Интернет. Из них примерно 10 миллионов компьютеров взаимодействуют друг с другом с помощью протокола TCP/IP.

Необходимо заметить, что TCP/IP- это семейство протоколов, названное по двум основным протоколам. Один из них (TCP-Transport Control Protocol) отвечает за то, как представляются данные в сети, а второй (IP-Internet Protocol) определяет методику адресации, то есть отвечает за то, куда они отправляются и как доставляются. Эта пара протоколов принадлежит разным уровням и называется стеком протоколов TCP/IP.

Стек TCP/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США в конце 70-х годов. Большой вклад в развитие стека TCP/IP внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии операционной системы UNIX.

Поскольку стек TCP/IP изначально создавался для глобальной сети Интернет, он имеет много особенностей, включающих глобальные связи.

Очень полезным свойством, делающим возможным применение этого протокола в больших сетях, является его способность фрагментировать пакеты. Как видно из рисунка 1 большая составная сеть часто состоит из сетей, построенных на совершенно разных принципах. В каждой из этих сетей может быть установлена собственная величина максимальной длины единицы передаваемых данных (кадра). В таком случае при переходе из одной сети, имеющей большую максимальную длину, в сеть с меньшей максимальной длиной может возникнуть необходимость деления передаваемого кадра на несколько частей. Протокол IP стека TCP/IP эффективно решает эту задачу.

Другой особенностью технологии TCP/IP является гибкая система адресации, позволяющая более просто включать в интерсеть сети других технологий.

Однако, мощные функциональные возможности протоколов стека TCP/IP требуют для своей реализации высоких вычислительных затрат.

2.4. Терминология Интернет.

Хост - это точка подключения к Интернет, имеющая IP адрес. Хостом может быть одиночный компьютер, маршрутизатор (шлюз), принтер и т.д.

IP адрес - это комбинация из 4 последовательностей цифр, разделённых точками (например, 109.26.17.100). Он имеет длину 4 байт и состоит из двух частей: номера сети (network ID) и номера узла в сети (host ID). IP адрес назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. Номер сети может быть выбран администратором произвольно либо назначен по рекомендации специального подразделения Интернета (Internet Network Information Center, InterNIC) если сеть должна работать как составная часть Интернет. Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей. Поэтому каждый порт маршрутизатора имеет собственный IP адрес. Конечный узел (host) также может входить в несколько IP сетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько IP адресов, по числу сетевых связей. IP адрес характеризует одно сетевое соединение, а не отдельный компьютер или маршрутизатор. Таким образом,

IP адрес имеет две формы представления

128.10.2.30.- традиционная десятичная форма представления адреса.

100000000 00001010 00000010 00011110- двоичная форма представления этого же адреса.

Маска подсети - это 32 битный адрес, который

· маскирует часть IP адреса для разделения сетевого ID и ID хоста.

· cпецифицирует, где расположен ID адрес (в локальной или удаленной сети).

Поясним на примере. Каждый компьютер, имеющий собственный IP адрес, может взаимодействовать с любым другим компьютером, если у него тоже есть IP адрес. В зависимости от класса сети в ней может быть от 153 (класс С) до миллионов компьютеров (класс А). Такое разделение удобно для простоты адресации в Интернете, но неэффективно с точки зрения использования адресного пространства.

Решение этой проблемы найдено в создании подсетей (subnet). Подсети используют часть адреса относящуюся к локальному компьютеру и преобразовывают ее в адрес подсети. То есть, появляется возможность внутри сети создать несколько подсетей. Подсети создаются с помощью маски подсети (сетевой маски).

Маска подсети используется для “маскировки” (скрытия) части IP адреса так, чтобы TCP/IP мог отделить сетевой адрес от адреса хоста. Маску подсети также используют для того, чтобы определить расположение хоста (в локальной или удаленной сети).

Если TCP/IP сеть не разделена на подсети, то используется маска по умолчанию (default mask). Вид этой маски зависит от класса адреса. Всем номерам сетевого ID присваивается число 225; всем номерам хоста - 0.

Класс А 225.0.0.0.

Класс В 225.225.0.0.

Класс С 225.225.225.0.

Шлюз (gateway) - в IP терминологии так называют маршрутизатор.

Для связи хоста с другой сетью IP-протокол посылает пакет через маршрутизаторы (шлюзы) к другой сети и к хосту назначения. Адрес шлюза по умолчанию определяет путь к маршрутизатору, в котором по таблицам маршрутизации определяются пути к другим сетям и хостам (рис.4).

Рис.3. Шлюз по умолчанию.

Обмен информацией в сети- это сложный много этапный процесс. Оборудование различных производителей производятся на основе использования несколько процедурных моделей и проектирования многофункциональных сетей. Этап сети- основан на части протокола TCP/IP. Именно на этом этапе производится принцип соединения между сетями. На транспортном этапе используются два протокола - TCP, UDP. Протокол IP в сети интернет определяет единую базовую передачу -это дейтаграммы. TCP/IP показывает конкретный формат всей входящей информации. На этапе IP программное обеспечение выполняет функцию маршрутизации, определяет путь до физической сети. Для определения маршрута используют таблицу: конкурс основывается на адресе сети компьютера. Протокол IP определяет отдельный маршрут для каждого пакета, ненадежные передачи располагаются в нужном порядке.

Стандартные стеки и уровни протоколов

Стек протоколов - это некоторая комбинация протоколов, которые работают в сети одновременно и обеспечивают следующие операции с данными: - Подготовку, - Передачу, - Прием.

Работа различных протоколов должна быть скоординирована так, чтобы исключить конфликты или незаконченные операции - этого можно достичь с помощью разбиения стеков протоколов на уровни.

В компьютерной промышленности в качестве стандартных моделей разработано несколько стеков протоколов. Наиболее известные из них: - NetWare фирмы, - Novell AppleTalk фирмы Apple, - TCP/IP - стек протоколов Internet

Коммуникационные задачи, которые возложены на сеть, позволяют выделить среди протоколов разных стеков три типа (три уровня) протоколов: - Прикладные, - Транспортные, - Сетевые.

Схема расположения этих протоколов соответствует уровням модели OSI

Рис.4. Схема расположения протоколов

Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)

TCP/IP - набор протоколов, которые обеспечивают связь в гетерогенной (неоднородной) среде, т.е. обеспечивает совместимость между компьютерами разных типов. Совместимость - одно из основных преимуществ TCP/IP, поэтому большинство ЛВС поддерживает его. TCP/IP маршрутизируемый протокол - используется в качестве межсетевого протокола. TCP/IP стал стандартом де-факто для межсетевого взаимодействия



Четырехуровневая модель TCP/IP

Протоколы TCP/IP соответствуют четырехуровневой модели, известной как модель DARPA. Каждый уровень этой модели соответствует одному или нескольким уровням модели OSI.

Рис.5. Схема расположения протоколов модели OSI и TCP/IP

Основные протоколы стека TCP/IP

I. Прикладной уровень - обеспечивает приложениям доступ к сервисам других уровней и определяют протоколы, по которым приложения могут обмениваться данными На этом уровне предусмотрено много протоколов и постоянно разрабатываются новые.

Telnet - протокол эмуляции терминала, используется для регистрации на удаленных компьютерах

- FTP (File Transport Protocol) - протокол для передачи файлов

- HTTP (Hypertext Transfer Protocol) - протокол для работы с гипертекстовыми документами, образующими содержимое Web-страниц в World Wide Web

Следующие протоколы упрощают использование и управление TCP/IP-сетями

- SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - протокол для передачи почтовых сообщений

- SNMP (Simple Network Management Protocol) - протокол управления сетью

- RIP (Routing Information Protocol) - протокол маршрутизации

II. Транспортный уровень Предоставляет прикладному уровню сеансовые коммуникационные службы.

- TCP (Transmission Control Protocol) - обеспечивает надежную, требующую логического соединения связь только между двумя компьютерами. Отвечает за установление соединения, упорядочивание посылаемых пакетов и восстановление пакетов, потерянных в процессе передачи.

- UDP (User Datagram Protocol) - обеспечивает ненадежную, не требующую логического соединения связь. Используется, когда объем данных невелик (например, данные могут уместиться в одном пакете), когда издержки установления TCP соединения нежелательны либо когда протоколы верхнего уровня или приложения гарантируют надежную доставку. UDP используется для передачи данных на несколько компьютеров с использованием многоадресной рассылки, например, многоадресная рассылка потокового мультимедиа при проведении видеоконференций в реальном времени.

III. Межсетевой уровень

- IP (Internet Protocol - межсетевой протокол) - маршрутизируемый протокол, отвечающий за IP-адресацию, маршрутизацию, фрагментацию и восстановление пакетов. В его задачу входит продвижение пакета между сетями - от одного маршрутизатора до другого до тех пор, пока пакет не попадет в сеть назначения. В отличие от протоколов прикладного и транспортного уровней протокол IP разворачивается не только на хостах, но и на всех шлюзах (маршрутизаторах). Этот протокол работает без установления соединения, без гарантированной доставки.

- ARP (Address Resolution Protocol) - обеспечивает преобразование адресов межсетевого уровня (IP-адресов) в адреса уровня сетевого интерфейса (МАС-адреса)

- ICMP (Internet Control Message Protocol) - поддерживает диагностические функции и сообщает об ошибках в случае неудачной доставки IP-пакетов

- IGMP (Internet Group Management Protocol) - управляет членством компьютера (хоста) в группах. Хосты входящие в группу слушают трафик, направляемый на определенный адрес (адрес групповой рассылки) и принимают все пакеты, присылаемые на этот адрес.

IV. Уровень сетевых интерфейсов

Уровень сетевых интерфейсов в стеке TCP/IP отвечает за организацию взаимодействия с технологиями сетей, входящими в составную сеть. Этот уровень в стеке TCP/IP не регламентируется. Он поддерживает все популярные технологии (Ethernet, TokenRing и т.д.). Обычно при появлении новой сетевой технологии она быстро включается в стек TCP/IP путем разработки соответствующей документации

Единицы передачи данных для протоколов различных уровней

Рис.6. Единицы передачи данных для протоколов различных уровней

Рис 7. Сеть на основе стека модели TCP/IP

TCP- и UDP-порты

В TCP/IP-сетях порт - это механизм, позволяющий компьютеру поддерживать сразу несколько коммуникационных сеансов с программами и другими компьютерами. В сети многие приложения могут одновременно взаимодействовать друг с другом. Когда эти приложения функционируют на одном сетевом хосте для протокола TCP/IP требуется метод, позволяющий различать эти приложения. Для этой цели, т.е. для задания нужного приложения, в протоколе TCP/IP используются порты. Порт является идентификатором приложения на компьютере. Порт связан с протоколами TCP или UDP транспортного уровня и называется соответственно портом TCP или UDP. Порт может задаваться любым числом, находящемся в диапазоне от 0 до 65535. Для портов наиболее распространенных сетевых приложений используются хорошо известные зарезервированные номера портов, значения которых меньше 1024.

Некоторые хорошо известные (well-known) TCP-порты

Некоторые хорошо известные (well-known) UDP-порты

В ОС для идентификации приложений работающих на конкретных хостах используются сокеты - Sockets. Сокет представляет собой комбинацию IP-адреса и порта TCP или UDP. Приложение создает сокет, указывая IP-адрес и порт, отслеживаемый приложением. IP-адрес в сокете позволяет идентифицировать и определять конечный компьютер, а порт указывает приложение, которому будут посланы данные.

Контрольные вопросы

1. История создания сети Интернет.

2. Структура сети Интернет.

3. Назначение протоколов сети Интернет.

4. Как создаются приложения сети Интернет.

5. Назначение протоколов HTTP и FTP, их место в сети Интернет.

6. Основные характеристики архитектуры протоколов TCP/IP.

7. Характеристика модели TCP/IP.

8. Архитетура модели TCP/IP.

9. Характеристика передачи информации в стеке TCP/IP.

10. Понятие MAC-адреса, назначени, построение.

11. Описание модели OSI.

12. Архитектура модели OSI.

13. Общая архитектура обмена информацией в модели OSI.

14. Понятие сегмента IP.

15. Понятие заголовка сегмента IP.

Литература

1. Hunt, Craig. TCP/IP Network Administration. -- 3rd Edition. -- O'Reilly Media, Inc.. -- ISBN 0596002971.

2. Douglas E. Comer, David L. Stevens. Internet working with TCP/IP Design,

Практическая работа № 12

Адресация в IР-сетях

Цель работы

Изучить адресацию в IР-сетях, типы адресов в IP-сетях, основные классы, разделение на сети и подсети, назначение маски подсети, МАС-адресов и других видов адресации, различные версии адресации.

Задание

Выполнить отчет и подготовиться к защите.

Теоретические сведения

Каждый терминал в сети ТСР/IP имеет адреса трех уровней:

1. Физический (МАС-адрес) -- локальный адрес узла, определяемый технологией, с которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-АО-17-3D-ВС-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей MAC-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта -- идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, включая Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.

2. Сетевой (Ip-адрес), состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно или назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet, получают диапазоны подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла -- гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться весьма произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае, узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP- адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

3. Символьный (DNS-имя) -- идентификатор-имя, например, SERVI.IBM.СОМ. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый также DNS-именем, пользуется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

Основные классы IP-адресов

IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например:

128.10.2.30 - традиционная десятичная форма представления адреса,

10000000 00001010 00000010 00011110 -- двоичная форма представления этого же адреса. На рис. 1. показана структура IP-адреса.



Рис.1.Структура IP-адреса.

Адрес состоит из двух логических частей -- номера сети и номера узла в сети. Каких часть адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса:

* Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А, и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) В сетях класса А количеств узлов должно быть больше 216, но не превышать 224.

* Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В и является сетью средних размеров с числом узлов 28-216. В сетях класса В под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов, то есть по 2 байта.

* Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С с числом узлов не больше 28. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла - 8 битов.

* Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес -- multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.

* Если адрес начинается с последовательности 11110, то это адрес класса Е, он зарезервирован для будущих применений.

На рис.2. приведены диапазоны номеров сетей, соответствующих каждому классу сетей.

Отображение физических адресов на IP-адреса

В протоколе IP-адрес узла, то есть адрес компьютера или порта маршрутизатора, назначается произвольно администратором сети и прямо не связан с его локальным адресом, как это сделано, например, в протоколе IPX. Подход, используемый в IP, удобно использовать в крупных сетях и, по причине его независимости от формата локального адреса, и по причине стабильности, так как в противном случае, при смене на компьютере сетевого адаптера эти изменения должны бы были учитывать все адресаты всемирной сети Internet (в том случае, конечно, если сеть подключена к Internet).

Рис.2. Диапазоны номеров сетей.

Локальный адрес используется в протоколе IP только в пределах локальной сети при обмене данными между маршрутизаторам и узлом этой сети. Маршрутизатор, получив пакет узла одной из сетей, непосредственно подключенных к его портам, должен для передачи пакета сформировать кадр в соответствии с требованиями принятой в этой сети технологии и указать в нем локальный адрес узла, например его МАС-адрес. В пришедшем пакете этот адрес не указан, поэтому перед маршрутизатором встает задача поиска его по известному IP- адресу, который указан в пакете в качестве адреса назначения. С аналогичной задачей сталкивается и конечный узел, когда он хочет отправить пакет в удаленную сеть через маршрутизатор, подключенный к той же локальной сети, что и данный узел.

Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол Address Resolution Protocol АRР. Протокол ARP работает различным образом в зависимости от того, какой протокол канального уровня работает в данной сети - протокол сети (Ethernet, Token Ring, FDDI) с возможностью широковещательного доступа одновременно ко всем узлам сети, или же протокол глобальной сети (Х.25, Frame Relay), как правило, не поддерживающий широковещательный доступ. Существует также протокол, решающий обратную задачу - нахождение IP-адреса по известному локальному адресу. Он называется реверсивный ARP -- RARP (Reverse Address Resolution Protocol) и используется пре старте бездисковых станций, не знающих в начальный момент своего IP-адреса, но знающих адрес своего сетевого адаптера.

В локальных сетях протокол ARP использует широковещательные кадры протокола уровня для поиска в сети узла с заданным IP-адресом.

Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP-запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно. Все узлы локальной сети получают ARP-запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP-запросе отправитель указывает свой локальный адрес. ARP-запросы и ответы используют один и тот же формат пакета. Так как локальные адреса могут в различных типах сетей иметь различную длину, то формат пакета протокол ARP зависит от типа сети. На рис. 2. показан формат пакета протокола ARP для передачи по сети Ethernet.

В поле типа сети для сетей Ethernet указывается значение 1. Поле типа протокола позволяет использовать пакеты ARP не только для протокола IP, но и для других сетевых протоколов. Для IP значение этого поля равно 0800

Длина локального адреса для протокола Ethernet равна 6 байтам, а длина IP-адреса -4 байтам. В поле операции для ARP запросов указывается значение 1 для протокола ARP и 2 для протокола КАИР.

Узел, отправляющий ARP-запрос, заполняет в пакете все поля, кроме поля искомого локального адреса (для RARP-запроса не указывается искомый IP-адрес). Значение этого поля заполняется узлом, опознавшим свой IP-адрес.

В глобальных сетях администратору сети чаще всего приходится вручную формировать ARP-таблицы, в которых он задает, например, соответствие IP-адреса адресу узла сети Х.25, который имеет смысл локального адреса. В последнее время наметилась тенденция автоматизации работы протокола ARP и в глобальных сетях. Для этой цели среди всех маршрутизаторов, подключенных к какой-либо глобальной сети, выделяется специальный маршрутизатор, который ведет ARP-таблицу для всех остальных узлов и маршрутизаторов этой сети. При таком централизованном подходе для всех узлов и маршрутизаторов вручную нужно задать только IP-адрес и локальный адрес выделенного маршрутизатора. Затем каждый узел и маршрутизатор регистрирует свои адреса в выделенном маршрутизаторе, а при необходимости установления соответствия между IP-адресом и локальным адресом узел обращается к выделенному маршрутизатору с запросом и автоматически получает ответ без участия администратора.

Отображение символьных адресов на IP-адреса

Служба DNS (Domatn Name System) -- это распределенная база данных, поддерживающая иерархическую систему имен для идентификации узлов в сети Internet. Служба DNS предназначена для автоматического поиска IP-адреса по известному символьному имени узла. Спецификация DNS определяется стандартами RFC 1034 и 1035. DNS требует статической конфигурации своих таблиц, отображающих имена компьютеров в IP-адрес.

Протокол DNS является служебным протоколом прикладного уровня. Этот протокол несимметричен -- в нем определены DNS-серверы и DNS-клиенты. DNS-серверы хранят часть распределенной базы данных о соответствии символьных имен и IP-адресов. Эта база данных по административным доменам сети Internet. Клиенты сервера DNS знают IP-адрес сервера DNS своего административного домена и по протоколу IP передают запрос, в котором известное символьное имя и просят вернуть соответствующий ему IP-адрес.

Если данные о запрошенном соответствии хранятся в базе данного DNS-сервера, то он посылает ответ клиенту, если же нет -- то он посылает запрос DNS-серверу другого , который может сам обработать запрос или передать его другому DNS-серверу. Все DNS-серверы соединены иерархически, в соответствии с иерархией доменов сети Internet опрашивает эти серверы имен, пока не найдет нужные отображения. Этот процесс ускоряется из-за того, что серверы имен постоянно кэшируют информацию, предоставляемую по запросам. Клиентские компьютеры могут использовать в своей работе IP-адреса нескольких DNS-серверов для повышения надежности своей работы.

База данных DNS имеет структуру дерева, называемого доменным пространством имен, в котором каждый домен (узел дерева) имеет имя и может содержать поддомены. Имя домена идентифицирует его положение в этой базе данных по отношению к родительскому Домену, причем точки в имени отделяют части, соответствующие узлам домена.

Корень базы данных DNS управляется центром Internet Network Information Center. домены верхнего уровня назначаются для каждой страны, а также на организационной основе. Имена этих доменов должны следовать международному стандарту ISO 3166. Для обозначения стран используются трехбуквенные и двухбуквенные аббревиатуры, а для различных типов организаций используются следующие аббревиатуры:

* com -- коммерческие организации (например, Microsoft com);

* edu -- образовательные (например, mit.edu);

* gov -- правительственные организации (например, nsf.gov);

* org -- некоммерческие организации (например, fidonet.org);

* net -- организации, поддерживающие сети (например, nsf.net).

Каждый домен DNS администрируется отдельной организацией, которая обычно разбивает свой домен на поддомены и передает функции администрирования этих поддоменов другим организациям. Каждый домен имеет уникальное имя, а каждый из поддоменов имеет уникальное имя внутри своего домена. Имя домена может содержать до 63 символов. Каждый хост в сети Internet однозначно определяется своим полным доменным именем (fully qualified domaine пате, FQDN), которое включает имена всех доменов по направлению от роста к корню. Пример полного DNS-имени: citint.dol.ru.

...