Сети ЭВМ и телекоммуникации

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Эталонная модель ISO OSI

Эталонная модель под названием "Взаимодействие Открытых Систем" (OSI - Open Systems Interconnection) была выпущена в 1984 году.

Включает в себя:

· Поиск приложения, с которым будем обмениваться информацией.

· Установление и поддержание связи.

· Обработка потерь и помех при обмене.

Модель OSI разделяет задачу сетевого обмена на семь более мелких задач, что упрощает решение. Каждая из подзадач сформулирована таким образом, чтобы для её решения требовался минимум внешней информации.

Каждый уровень модели OSI соответствует своей подзадаче. Из этого следует, что каждый уровень модели в достаточной степени автономен. Поэтому реальные реализации сетей могут использовать не все уровни, а только часть из них.

Модель OSI.

Эталонная модель OSI, иногда называемая стеком OSI представляет собой 7-уровневую сетевую иерархию (рис. 1) разработанную Международной организацией по стандартам (International Standardization Organization - ISO). Эта модель содержит в себе по сути 2 различных модели:

· горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах

· вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине

В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной - соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов API.

Рисунок 1. Модель OSI

Уровень 1, физический.

Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические/оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включают:

· Тип кабелей и разъемов.

· Разводку контактов в разъемах.

· Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1.

Уровень 2, канальный.

Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде.

Уровень 3, сетевой.

Сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы. На этом уровне происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.

Уровень 4, транспортный.

Транспортный уровень делит потоки информации на достаточно малые фрагменты (пакеты) для передачи их на сетевой уровень.

Уровень 5, сеансовый.

Сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

Уровень 6, уровень представления.

Уровень представления отвечает за возможность диалога между приложениями на разных машинах. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня. Протоколы уровня представления обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

Уровень 7, прикладной.

Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.

2. Стек протоколов TCP/IP. Четырехуровневая модель

Стек протоколов TCP/IP -- набор сетевых протоколов передачи данных, используемых в сетях, включая сеть Интернет. Название TCP/IP происходит из двух наиважнейших протоколов семейства --Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP).

Протоколы работают друг с другом встеке (англ.stack, стопка) -- это означает, что протокол, располагающийся на уровне выше, работает «поверх» нижнего, используя механизмыинкапсуляции. Например, протокол TCP работает поверх протокола IP.

Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня:

· прикладной уровень(application layer),

· транспортный уровень(transport layer),

· сетевой уровень(internet layer),

· канальный уровень(link layer).

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможностимодели OSI. На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.

Прикладной уровень.

На прикладном уровне работает большинство сетевых приложений.

Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной),DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие.

В массе своей эти протоколы работают поверх TCP или UDP (протокол пользовательских датаграмм) и привязаны к определённому порту, например:

HTTP на TCP-порт 80 или 8080,

FTP на TCP-порт 20 (для передачи данных) и 21 (для управляющих команд),

SSH на TCP-порт 22, запросы DNS на порт UDP (реже TCP) 53,

обновление маршрутов по протоколу RIP на UDP-порт 520.

Эти порты определены Агентством по выделению имен и уникальных параметров протоколов (IANA).

К этому уровню относятся: Echo, Finger, Gopher, HTTP, HTTPS, IMAP, IMAPS, IRC, NNTP, NTP, POP3, POPS, QOTD, RTSP, SNMP, SSH, Telnet, XDMCP.

Транспортный уровень.

Протоколы транспортного уровня могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные.

Протоколы автоматической маршрутизации, логически представленные на этом уровне (поскольку работают поверх IP), на самом деле являются частью протоколов сетевого уровня; например OSPF (IP идентификатор 89).

TCP (IP идентификатор 6) -- «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надёжныйпоток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.

UDP (IP идентификатор 17) протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадёжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных, используется протокол TCP.

UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео икомпьютерные игры, где допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.

И TCP, и UDP используют для определения протокола верхнего уровня число, называемоепортом.

Сетевой уровень.

Сетевой уровень изначально разработан для передачи данных из одной (под)сети в другую. Примерами такого протокола является X.25 и IPC в сети ARPANET.

С развитием концепции глобальной сети в уровень были внесены дополнительные возможности по передаче из любой сети в любую сеть, независимо от протоколов нижнего уровня, а также возможность запрашивать данные от удалённой стороны, например в протоколе ICMP (используется для передачи диагностической информации IP-соединения) и IGMP (используется для управления multicast-потоками).

ICMP и IGMP расположены над IP и должны попасть на следующий -- транспортный -- уровень, но функционально являются протоколами сетевого уровня, и поэтому их невозможно вписать в модель OSI.

Пакеты сетевого протокола IP могут содержать код, указывающий, какой именно протокол следующего уровня нужно использовать, чтобы извлечь данные из пакета. Это число -- уникальный IP-номер протокола. ICMP и IGMP имеют номера, соответственно, 1 и 2.

Канальный уровень.

Канальный уровень описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (то есть специальные последовательности бит, определяющих начало и конец пакета данных). Ethernet, например, в полях заголовка пакета содержит указание того, какой машине или машинам в сети предназначен этот пакет.

Примеры протоколов канального уровня -- Ethernet, IEEE 802.11 Wireless Ethernet, SLIP, Token Ring, ATM и MPLS.

PPP не совсем вписывается в такое определение, поэтому обычно описывается в виде пары протоколов HDLC/SDLC.

MPLS занимает промежуточное положение между канальным и сетевым уровнем и, строго говоря, его нельзя отнести ни к одному из них.

Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня -- LLC и MAC.

Кроме того, канальный уровень описывает среду передачи данных (будь то коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние).

3. Физическая среда передачи данных (сетевые кабели)

Рис. 2. Коаксиальный кабель

Электрические сигналы, кодирующие данные, передаются по жиле. Она изоляцией отделяется от металлической оплетки, которая играет роль заземления и защищает передаваемые по жиле сигналы от:

· внешних электромагнитных шумов (атмосферных, промышленных);

· перекрестных помех - электрических наводок, вызванных сигналами в соседних проводах.

Используют толстый и тонкий коаксиальный кабель.

В обозначении кабелей по стандарту IEEE 802.3 первые две цифры - скорость передачи в Мбит/с, base обозначает, что кабель используется в сетях с узкополосной передачей (baseband network), последняя цифра - эффективная длина сегмента в сотнях метров, при которой уровень затухания сигнала остается в допустимых пределах. Тонкий подключается к сетевым платам непосредственно через Т-коннектор (рис. 3), толстый - через специальное устройство - трансивер.

Рисунок 3

Различают обычные и пленумные коаксиальные кабели. Последние обладают повышенными механическими и противопожарными характеристиками и допускают прокладку под полом, между фальшпотолком и перекрытием. При выборе для ЛВС данного типа кабеля следует принимать во внимание, что:

1) это среда для передачи речи, видео и двоичных данных;

2) позволяет передавать данные на большие расстояния;

3) это хорошо знакомая технология, предлагающая достаточный уровень защиты данных.

Витая пара.

Если для передачи электрических сигналов воспользоваться обычной парой параллельных проводов для передачи знакопеременного списка большой частоты, то возникающие вокруг одного из них магнитные потоки будут вызывать помехи в другом (рис. 4). Для исключения этого явления провода перекручивают между собой.

Рисунок 4

Самая простая витая пара (twisted pair) - это два перевитых друг вокруг друга изолированных провода. Существует два вида такого кабеля:

- неэкранированная витая пара (UTP);

- экранированная витая пара (STP).

Часто несколько витых пар помещают в одну защитную оболочку (типа телефонного кабеля). Наиболее распространена в ЛВС неэкранированная витая пара стандарта 10 baseT с эффективной длиной сегмента - 100 м. Определено 5 категорий на основе UTP

Табл. 1. Категории кабельных соединений на неэкранированной витой паре

Оптоволоконный кабель.

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов, а не электрических сигналов. Следовательно, его нельзя вскрыть и перехватить данные.

Передача по оптоволоконному кабелю не подвержена электрическим помехам и ведется на чрезвычайно высокой скорости (до 100 Мбит/с, а теоретически возможно до 200 Мбит/с).

Основа кабеля - оптическое волокно - тонкий стеклянный цилиндр (жила), покрытая слоем стекла, называемого оболочкой и имеющей отличный от жилы коэффициент преломления (рис. 5).

кабельный маршрутизация компьютер



Рисунок 5

Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами (рис. 5). Жесткость обеспечивает покрытие из пластика, а прочность - волокна кевлара.

Табл. 2

Тип кабеля	Характеристика
	Максимальное расстояние передачи	Максимальная скорость передачи
Коаксиальный кабель	185 - 500 м	10 Мбит/с
"Витая пара"	30 - 100 м	10 Мбит/с - 1 Гбит/с
Оптоволоконный кабель	2 км	10 Мбит/с - 2 Гбит/с

3. Стандарт Fast Ethernet

Идея технологии Fast Ethernet родилась в 1992 году. В августе следующего года группа производителей объединилась в организацию, названную Альянсом Fast Ethernet (Fast Ethernet Alliance - FEA). Цель этого альянса заключалась в скорейшем одобрении стандарта Fast Ethernet комитетом IEEE. в июне 1995 года все процедуры стандартизации были успешно завершены, и технология Fast Ethernet была стандартизирована в документе 802.3u.

При рассмотрении стандарта много времени уделялось сохранению метода доступа CSMA/CD. Все предложенные решения опирались на этот метод, что вполне естественно, так как он позволяет сохранить преемственность с сетями 10 Base-T и 100Base-T. CSMA/CD определяет способ передачи данных по сети от одного узла к другому через кабельную систему. В модели OSI протокол CSMA/CD является частью уровня управления доступом к среде (Media Access Control, MAC). На этом уровне определяется формат, в котором информация передаётся по сети, и способ получения доступа сетевого устройства к сети для передачи данных. Компании НР и АТ&Т предложили совершенно отличный от CSMA/CD метод доступа, который был назван Demand Priority. Однако он был поддержан гораздо меньшим числом сетевых производителей. Для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

Стандарт Fast Ethernet определяет три модификации для работы с разными видами кабелей: 100Base TX, 100Base T4 и 100Base FX. Модификации 100Base TX и 100Base T4 рассчитаны на витую пару, а 100Base FX был разработан для оптического кабеля.

Стандарт 100Base TX требует применения двух экранированных или неэкранированных витых пар. Одна пара служит для передачи, другая для приёма. Этим требованиям отвечают два основных кабельных стандарта: на неэкранированную витую пару категории 5 (UTP-5) и экранированную витую пару типа 1 от IBM.

Стандарт 100Base T4 имеет менее ограничительные требования к кабелю, так как в нём задействуются все четыре пары восьмижильного кабеля: одна пара для передачи, другая для приёма, а оставшиеся две пары работают как на передачу, так и на приём. В результате, в стандарте 100Base T4 и приём и передача данных могут осуществляться по трём парам. Для реализации сетей 100Base T4 подойдут кабели с неэкранированной витой парой категории 3-5 и экранированной типа 1.

Технология Fast Ethernet включает в себя также стандарт для работы с многомодовым оптоволоконным кабелем. Этот стандарт (речь идёт о стандарте 100Base FX) ориентирован, в основном, на применение в магистрали сети или для организации связи удалённых объектов.

Преемственность технологий Fast Ethernet и Ethernet позволяет легко выработать рекомендации по применению: Fast Ethernet целесообразно применять в тех организациях, которые широко использовали классический Ethernet. Но на сегодняшний день испытывают потребность в увеличении пропускной способности. При этом сохраняется весь накопленный опыт работы с Ethernet и, частично, сетевая инфраструктура.

Хотя Fast Ethernet и является развитием стандарта Ethernet, переход к 100Base T требует некоторых изменений в топологии сети. Теоретический предел диаметра сегмента сети Fast Ethernet составляет 250 метров. Это ограничение определено самой природой метода доступа CSMA/CD и скоростью передачи в 100 Мбит/с.

Для классического Ethernet время прослушивания сети определяется максимальным расстоянием, которое 512-битный кадр может пройти по сети за время, равное времени обработки этого кадра на рабочей станции. Для сети Ethernet это расстояние равно 2500 метров. В сети Fast Ethernet этот же самый 512-битный кадр за время, необходимое на его обработку, на рабочей станции, пройдёт всего 250 метров. Если принимающая станция будет удалена от передающей на расстояние свыше 250 метров, то кадр может вступить в конфликт с другим кадром на линии. А передающая станция, завершив передачу, уже опоздала бы с реакцией на этот конфликт. Поэтому максимальный диаметр сети 100Base T составляет 250 метров.

Для увеличения допустимой дистанции необходимо использовать два повторителя для соединения всех узлов. В соответствии со стандартом Fast Ethernet расстояние между концентратором и рабочей станцией не должно превышать 100 метров. Для установки Fast Ethernet потребуются сетевые адаптеры для рабочих станций и серверов, концентраторы 100Base T и, возможно, некоторое количество коммутаторов 100Base T. К моменту появления стандарта Fast Ethernet в построении локальных сетей масштаба здания сложился следующий подход - магистраль крупной сети строилась на технологии FDDI (высокоскоростной, отказоустойчивой, но весьма дорогой), а сети рабочих групп и отделов использовали Ethernet и Token Ring.

Основная область работы Fast Ethernet сегодня - это сети рабочих групп и отделов. Целесообразно совершать переход к Fast Ethernet постепенно, оставляя Ethernet там, где он хорошо справляется с поставленными задачами. Одним из очевидных случаев, когда Ethernet не следует заменять технологией Fast Ethernet, является подключение к сети старых персональных компьютеров с шиной ISA.

4. Стандарт Gigabit Ethernet

Основные усилия рабочей группы IEEE 802.3z направлены на определение физических стандартов для Gigabit Ethernet. За основу она взяла стандарт ANSI X3T11 Fibre Channel, точнее, два его нижних подуровня: FC-0 (интерфейс и среда передачи) и FC-1 (кодирование и декодирование). Зависимая от физической среды спецификация Fibre Channel определяет в настоящее время скорость 1,062 гигабод в секунду. В Gigabit Ethernet она была увеличена до 1,25 гигабод в секунду. С учетом кодирования по схеме 8B/10B мы получаем скорость передачи данных в 1 Гбит/с.

Спецификация Gigabit Ethernet изначально предусматривала три среды передачи: одномодовый и многомодовый оптический кабель с длинноволновыми лазерами 1000BaseLX для длинных магистралей для зданий и комплексов зданий, многомодовый оптический кабель с коротковолновыми лазерами 1000BaseSX для недорогих коротких магистралей, симметричный экранированный короткий 150-омный медный кабель 1000BaseCX для межсоединения оборудования в аппаратных и серверных.

Однако в настоящее время четырехпарная 100-омная проводка Категории 5 является наиболее распространенной кабельной системой во всем мире. Учитывая это, бюро по стандартам IEEE удовлетворило в марте 1997 г. запрос на создание отдельного комитета по разработке стандарта физического уровня 1000 BaseT для четырехпарных кабелей с неэкранированными витыми парами Категории 5 длиной 100 м (т. е. для сетей с диаметром 200 м, как и в 100 BaseT). Эта группа получила наименование 803.2ab. Данный стандарт будет опираться на иную схему кодирования, нежели Fibre Channel, и, вероятнее всего, появится на год позже, чем остальные три стандарта.

Табл. 3 - Стандарты и приложения

Интерфейс физического уровня	Тип кабеля	Максимальная протяженность (в скобках диаметр волокна)	Типичные приложения
1000BaseSX	Многомодовый кабель с коротковолновым лазером (850 нм)	220 м (62,5 мкм); 500 м (50 мкм)	Короткие магистрали
1000BaseLX	Многомодовый и одномодовый кабель с длинноволновым лазером (1300 нм)	Многомодовый: 550 м (62,5 мкм);550 м (50 мкм) Одномодовый: 5 км (9 мкм)	Короткие магистрали Территориальные магистрали
1000BaseCX	Короткий медный кабель (STP/коаксиал)	25 м	Межсоединение оборудования в монтажном шкафу
1000BaseT	4-парный неэкранированный Категории 5	100 м	Горизонтальные трассы

5. Способы модуляции. Модемы

Способы модуляции. Различными модемами используются различные способы модуляции сигналов. Все они базируются на характеристиках несущей волны, которая может быть изменена для кодировки информации.

Используются три основные волновые характеристики: амплитудная, частотная и фазовая.

Амплитудная модуляция. Амплитуда - это сила сигнала или громкость тона передаваемого через телефонный провод. Изменение этой характеристики при кодировке передаваемой информации, называется амплитудной модуляцией. Одним из способов, с помощью которого цифровая информация может быть закодирована при амплитудной модуляции, является соотношение двух значений амплитуд в соответствии с цифровой информацией. Так цифровую информацию можно кодировать установкой максимальной мощности сигнала и нулевой мощностью. Эту характеристику телефонного сигнала легче всего изменять. Однако оба перехода могут накрываться шумами, поэтому амплитудная модуляция не используется в модемах.

Фазовая модуляция. Для кодирования информации в несущей частоте можно использовать и ее фазу. Не модулируемая частота содержит ряд идентичных волн, которые следуют друг за другом с одним шагом. Если же, например, одну волну задержать на ее длину, она придется точно на вершину следующей. Задержка одних волн без изменения их амплитуд или частот порождает изменение, называемое фазовым сдвигом. Установка волны сдвигает во времени ее по отношению к предшествующей. Таким образом, информация может быть закодирована путем сдвига фазы. Единица кодируется одним ее положением, а нуль - другим. Хотя этот способ модуляции используется в модемах связи более часто, он применяется в комбинации с другими технологиями. Частотная модуляция. Цифровой сигнал можно также закодировать при помощи изменения частоты, например, большое значение можно закодировать высокой частотой, а малую амплитуду более низкой частотой. Такая технология называется частотной модуляцией и обычно используется в радиовещании. В большинстве случаев при частотной модуляции разные значения частот соответствуют цифровым нулю и единице. Говоря другими словами, одна частота обозначает цифровую единицу, а другая - цифровой нуль. Такой вид модуляции называется частотной кодировкой. Слово кодировка пришло к нам от телеграфных времен, когда этот вид модуляции использовался для передачи кода Морзе, и сдвиг частоты соответствовал соответствующему телеграфному ключу. Этот принцип модуляции использовался в наиболее популярных модемах, реализующих передачу информации со скоростью 300 бит в секунду по стандарту Bell 103.

6. Технологии xDSL

хDSL (англ.digital subscriber line, цифровая абонентская линия) -- семейство технологий, позволяющих значительно повысить пропускную способность абонентской линиителефонной сети общего пользованияпутём использования эффективных линейных кодов и адаптивных методов коррекции искажений линии на основе современных достижений микроэлектроники и методовцифровой обработки сигнала.

Технологии хDSL появились в середине 90-х годов как альтернатива цифровому абонентскому окончаниюISDN.

В аббревиатуре xDSL символ «х» используется для обозначения первого символа в названии конкретной технологии, а DSL обозначает цифровую абонентскую линию DSL (англ.Digital Subscriber Line -- цифровая абонентская линия; также есть другой вариант названия -- Digital Subscriber Loop -- цифровой абонентский шлейф). Технологии хDSL позволяют передавать данные со скоростями, значительно превышающими те скорости, которые доступны даже лучшим аналоговым и цифровыммодемам. Эти технологии поддерживают передачу голоса, высокоскоростную передачу данных и видеосигналов, создавая при этом значительные преимущества, как для абонентов, так и дляпровайдеров. Многие технологии хDSL позволяют совмещать высокоскоростную передачу данных и передачу голоса по одной и той же медной паре. Существующие типы технологий хDSL различаются в основном по используемой формемодуляциии скоростипередачи данных.

Службы xDSL разрабатывались для достижения определенных целей: они должны работать на существующих телефонных линиях, они не должны мешать работе различной аппаратуры абонента, такой кактелефонный аппарат, факс и т. д., скорость работы должна быть выше теоретического предела в 56Кбит/сек., и, наконец, они должны обеспечивать постоянное подключение. Широкое распространение технологий хDSL должно сопровождаться некоторой перестройкой работы поставщиков услуг Интернета и поставщиков услуг телефонных сетей, так как их оборудование теперь должно работать совместно. Возможен также вариант, когда альтернативный оператор связи берёт оптом в аренду большое количество абонентских окончаний у традиционного местного оператора или же арендует некоторое количество модемов в DSLAM.

К основным типам xDSL относятся ADSL, HDSL, IDSL, MSDSL, PDSL, RADSL, SDSL, SHDSL, UADSL, VDSL. Все эти технологии обеспечивают высокоскоростной цифровой доступ по абонентской телефонной линии. Некоторые технологии xDSL являются оригинальными разработками, другие представляют собой просто теоретические модели, в то время как третьи уже стали широко используемыми стандартами. Основным различием данных технологий являются методы модуляции, используемые для кодирования данных.

7. IP-адресация версии IPv4. Классы IP-адресов

Адресация IP версии 4

В настоящее время самый распространенный сетевой протокол -- IPv4. Хотя подключать компьютеры к установленной сети IPv4 несложно (это делается автоматически), для реализации, настройки и устранения неполадок IPv4 нужно знать основные концепции адресации IPv4.

Структура IPv4-адреса

IPv4-адреса имеют длину 32 бита и состоят из 4 октетов, каждый длиной 8 бит. Обычно IPv4-адреса отображаются в формате из четырех десятичных чисел с разделительными точками (например, 192.168.23.245), которые называются октетами. Однако такое десятичное представление отображается лишь для удобства пользователя. На самом деле компьютеры читают IPv4-адреса в исходном 32-битовом формате, например:

11000000 10101000 00010111 11110101

Система адресации IPv4 помогает находить устройства, а не просто играет роль системы идентификации. Каждый IPv4-aдрес в сети должен быть уникальным, но нельзя назначать сетевому устройству адрес случайным образом, поскольку это не поможет его находить. Система адресации IPv4 обеспечивает уникальность и возможность поиска устройств, разделяя адреса на две части: ID сети и ID узла.

ID сети и ID узла.

Первая часть IPv4-адpеса представляет ID сети. Идентификатор сети идентифицирует отдельную сеть в инфраструктуре IPv4 (например, Интернета). Последняя часть IPv4-адреса представляет ID узла. Идентификатор узла идентифицирует узел IPv4 (например, компьютера, маршрутизатора или другого устройства IPv4) в сети, обозначенной идентификатором сети.

8. Подсети. Маска подсети. Бесклассовая адресация CIDR

В терминологии сетей TCP/IPмаской под сети или маской сети называетсябитовая маска, определяющая, какая часть IP-адреса узла сети относится к адресу сети, а какая -- к адресу самого узла в этой сети. Например, узел с IP-адресом 12.34.56.78 и маской подсети 255.255.255.0 находится в сети 12.34.56.0/24с длиной префикса 24 бита. В случае адресации IPv6 адрес 2001:0DB8:1:0:6C1F:A78A:3CB5:1ADD с длиной префикса 32 бита (/32) находится в сети 2001:0DB8::/32.

Другой вариант определения -- это определение подсети IP-адресов. Например, с помощью маски подсети можно сказать, что один диапазон IP-адресов будет в одной подсети, а другой диапазон соответственно в другой подсети.

Чтобы получить адрес сети, зная IP-адрес и маску подсети, необходимо применить к ним операциюпоразрядной конъюнкции (логическое И). Например, в случае более сложной маски (битовые операции в IPv6 выглядят одинаково).

Разбиение одной большой сети на несколько маленьких подсетей позволяет упроститьмаршрутизацию. Например, пусть таблица маршрутизации некоторогомаршрутизаторасодержит следующую запись.

Пусть теперь маршрутизатор получает пакет данных с адресом назначения 192.168.1.2. Обрабатывая построчно таблицу маршрутизации, он обнаруживает, что при наложении маски 255.255.255.0 на адрес 192.168.1.2 получается адрес сети 192.168.1.0. В таблице маршрутизации этой сети соответствуетшлюз10.20.30.1, которому и отправляется пакет.

9. Что такое подсеть?

Подсеть - метод, состоящий в том, чтобы взять сетевой IP адрес и локально разбить его так, чтобы этот один сетевой IP адрес мог в действительности использоваться в нескольких взаимосвязанных локальных сетях. Помните, один сетевой IP адрес может использоваться только для одной сети.

Ключевое слово здесь - "локально": вся мировая сеть из машин и физических сетей собрана из IP сетей, разбитых на подсети, и при этом ничего не нужно изменять - он остается целой IP сетью. Самое важное: разбиение на подсети - это локальная настройка, и оно не видно снаружи.

10. Динамическая IP-маршрутизация, протокол OSPF

OSPF (англ. Open Shortest Path First) -- протокол динамической маршрутизации, основанный на технологии отслеживания состояния канала (link-state technology). Использует для нахождения кратчайшего пути Алгоритм Дейкстры.

OSPF имеет следующие преимущества:

· Высокая скорость сходимости по сравнению с дистанционно-векторнымипротоколами маршрутизации;

· Поддержкасетевых масокпеременной длины (VLSM);

· Оптимальное использование пропускной способности (т. к. строится дерево кратчайших путей по алгоритму Дейкстры);

Описание работы протокола.

1. Маршрутизаторы обмениваются hello-пакетами через все интерфейсы, на которых активирован OSPF. Маршрутизаторы, разделяющие общий канал передачи данных, становятся соседями, когда они приходят к договоренности об определённых параметрах, указанных в их hello-пакетах.

2. На следующем этапе работы протокола маршрутизаторы будут пытаться перейти в состояние смежности со своими соседями. Переход в состояние смежности определяется типом маршрутизаторов, обменивающихся hello-пакетами, и типом сети, по которой передаются hello-пакеты. OSPF определяет несколько типов сетей и несколько типов маршрутизаторов. Пара маршрутизаторов, находящихся в состоянии смежности, синхронизирует между собой базу данных состояния каналов.

3. Каждый маршрутизатор посылает объявления о состоянии канала маршрутизаторам, с которыми он находится в состоянии смежности.

4. Каждый маршрутизатор, получивший объявление от смежного маршрутизатора, записывает передаваемую в нём информацию в базу данных состояния каналов маршрутизатора и рассылает копию объявления всем другим смежным с ним маршрутизаторам.

5. Рассылая объявления внутри одной OSPF-зоны, все маршрутизаторы строят идентичную базу данных состояния каналов маршрутизатора.

6. Когда база данных построена, каждый маршрутизатор использует алгоритм «кратчайший путь первым» для вычисления графа без петель, который будет описывать кратчайший путь к каждому известному пункту назначения с собой в качестве корня. Этот граф -- дерево кратчайших путей.

7. Каждый маршрутизатор строиттаблицу маршрутизации из своего дерева кратчайших путей.

11. Протокол ARP. Разрешение MAC-адресов

ARP (англ.Address Resolution Protocol -- протокол определения адреса) -- протокол в компьютерных сетях, предназначенный для определения MAC адреса по известному IP адресу.

Описание протокола было опубликовано в ноябре 1982 года в RFC 826. ARP был спроектирован для случая передачи IP-пакетов через сегмент Ethernet. При этом общий принцип, предложенный для ARP, может, и был использован и для сетей других типов.

Существуют следующие типы сообщений ARP: запрос ARP (ARP request) и ответ ARP (ARP reply). Система-отправитель при помощи запроса ARP запрашивает физический адрес системы-получателя. Ответ (физический адрес узла-получателя) приходит в виде ответа ARP.

Перед тем как передать пакет сетевого уровня через сегмент Ethernet,сетевой стекпроверяет кэш ARP, чтобы выяснить, не зарегистрирована ли в нём уже нужная информация об узле-получателе. Если такой записи в кэше ARP нет, то выполняется широковещательный запрос ARP. Этот запрос для устройств в сети имеет следующий смысл: «Кто-нибудь знает физический адрес устройства, обладающего следующим IP-адресом?» Когда получатель с этим IP-адресом примет этот пакет, то должен будет ответить: «Да, это мой IP-адрес. Мой физический адрес следующий» После этого отправитель обновит свой кэш ARP и будет способен передать информацию получателю. Ниже приведён пример запроса и ответа ARP.

Записи в кэше ARP могут быть статическими и динамическими. Пример, данный выше, описывает динамическую запись кэша. Можно также создавать статические записи в таблице ARP. Это можно сделать при помощи команды:

arp -s <IP-адрес> <MAC-адрес>.

Обычно, записи в таблице ARP, созданные динамически, остаются в кэше в течение 2-х минут [источник не указан 420дней]. Если в течение этих двух минут произошла повторная передача данных по этому адресу, то время хранения записи в кэше продлевается ещё на 2 минуты. Эта процедура может повторяться до тех пор, пока запись в кэше просуществует до 10 минут. После этого запись будет удалена из кэша, и будет отправлен повторный запрос ARP. В действительности время хранения записей в ARP таблице и метод хранения выбирается программно (например, операционной системой), и при должном желании его можно изменить.

12. Протокол DHCP. Использование DHCP для автоматической настройки TCP/IP

DHCP (англ.Dynamic Host Configuration Protocol -- протокол динамической настройки узла) -- сетевой протокол, позволяющий компьютерам автоматически получать IP-адрес и другие параметры, необходимые для работы в сети TCP/IP. Данный протокол работает по модели «клиент-сервер». Для автоматической конфигурации компьютер-клиент на этапе конфигурации сетевого устройства обращается к так называемомусерверу DHCP, и получает от него нужные параметры. Сетевой администраторможет задать диапазон адресов, распределяемых сервером среди компьютеров. Это позволяет избежать ручной настройки компьютеров сети и уменьшает количество ошибок. Протокол DHCP используется в большинстве сетей TCP/IP.

Протокол DHCP предоставляет три способа распределения IP-адресов:

· Ручное распределение. При этом способе сетевой администратор сопоставляет аппаратному адресу (для Ethernet сетей это MAC-адрес) каждого клиентского компьютера определённый IP-адрес. Фактически, данный способ распределения адресов отличается от ручной настройки каждого компьютера лишь тем, что сведения об адресах хранятся централизованно (на сервере DHCP), и потому их проще изменять при необходимости.

· Автоматическое распределение. При данном способе каждому компьютеру на постоянное использование выделяется произвольный свободный IP-адрес из определённого администратором диапазона.

· Динамическое распределение. Этот способ аналогичен автоматическому распределению, за исключением того, что адрес выдаётся компьютеру не на постоянное пользование, а на определённый срок. Это называется арендой адреса. По истечении срока аренды IP-адрес вновь считается свободным, и клиент обязан запросить новый (он, впрочем, может оказаться тем же самым). Кроме того, клиент сам может отказаться от полученного адреса.

Пример процесса получения адреса.

Рассмотрим пример процесса получения IP-адреса клиентом от сервера DHCP. Предположим, клиент ещё не имеет собственного IP-адреса, но ему известен его предыдущий адрес-- 192.168.1.100. Процесс состоит из четырёх этапов.

Обнаружение DHCP.

Вначале клиент выполняет широковещательный запрос по всей физической сети с целью обнаружить доступные DHCP-серверы. Он отправляет сообщение типа DHCP DISCOVER, при этом в качестве IP-адреса источника указывается 0.0.0.0 (так как компьютер ещё не имеет собственного IP-адреса), а в качестве адреса назначения -- широковещательный адрес 255.255.255.255.

Клиент заполняет несколько полей сообщения начальными значениями:

· В поле xid помещается уникальный идентификатор транзакции, который позволяет отличать данный процесс получения IP-адреса от других, протекающих в то же время.

· В поле chaddr помещается аппаратный адрес (MAC-адрес) клиента.

· В поле опций указывается последний известный клиенту IP-адрес. В данном примере это 192.168.1.100. Это необязательно и может быть проигнорировано сервером.

Сообщение DHCPDISCOVER может быть распространено за пределы локальной физической сети при помощи специально настроенных агентов ретрансляции DHCP, перенаправляющих поступающие от клиентов сообщения DHCP серверам в других подсетях.

Предложение DHCP.

Получив сообщение от клиента, сервер определяет требуемую конфигурацию клиента в соответствии с указанными сетевым администратором настройками. В данном случае DHCP-сервер согласен с запрошенным клиентом адресом 192.168.1.100. Сервер отправляет ему ответ (DHCPOFFER), в котором предлагает конфигурацию. Предлагаемый клиенту IP-адрес указывается в поле yiaddr. Прочие параметры (такие, как адреса маршрутизаторов и DNS-серверов) указываются в виде опций в соответствующем поле.

Это сообщение DHCP-сервер отправляет хосту, пославшему DHCPDISCOVER, на его MAC, при определенных обстоятельствах сообщение может распространяться как широковещательная рассылка. Клиент может получить несколько различных предложений DHCP от разных серверов; из них он должен выбрать то, которое его «устраивает».

Запрос DHCP.

Выбрав одну из конфигураций, предложенных DHCP-серверами, клиент отправляет запрос DHCP (DHCPREQUEST). Он рассылается широковещательно; при этом к опциям, указанным клиентом в сообщении DHCPDISCOVER, добавляется специальная опция -- идентификатор сервера-- указывающая адрес DHCP-сервера, выбранного клиентом (в данном случае-- 192.168.1.1).

Подтверждение DHCP.

Наконец, сервер подтверждает запрос и направляет это подтверждение (DHCPACK) клиенту. После этого клиент должен настроить свой сетевой интерфейс, используя предоставленные опции.

13. Служба DNS. Виды доменов. Сервера DNS

DNS (англ.Domain Name System -- система доменных имён) -- компьютерная распределённая система для получения информации о доменах. Чаще всего используется для получения IP-адреса по имени хоста (компьютера или устройства), получения информации о маршрутизации почты, обслуживающих узлах для протоколов в домене (SRV-запись).

Распределённая база данныхDNS поддерживается с помощью иерархииDNS-серверов, взаимодействующих по определённомупротоколу.

Основой DNS является представление об иерархической структуре доменного имени и зонах. Каждый сервер, отвечающий за имя, может делегировать ответственность за дальнейшую часть домена другому серверу (с административной точки зрения -- другой организации или человеку), что позволяет возложить ответственность за актуальность информации на серверы различных организаций (людей), отвечающих только за «свою» часть доменного имени.

Виды доменов.

Домемн -- область (ветвь) иерархического пространства доменных имён сети Интернет, которая обозначается уникальным доменным именем.

Домемнное имя -- символьное имя домена. Должно быть уникальным в рамках одного домена. Полное имя домена состоит из имён всех доменов, в которые он входит, разделённых точками. Например, полное имя luris.net.ru. (с точкой в конце) обозначает домен третьего уровня luris, который входит в домен второго уровня net. Который входит в домен ru, который входит в корневой домен. Доменное имя служит для адресации узлов сети Интернете и расположенных на них сетевых ресурсов (веб-сайтов, серверов электронной почты, сетевых сервисов) в удобной для человека форме. Альтернативой может быть адресация узла по IP-адресу, что менее удобно и труднее запоминается.

Домемнная зона -- совокупность доменных имён определённого уровня, входящих в конкретный домен. Например, зона wikipedia.org. означает все доменные имена третьего уровня в этом домене. Термин «доменная зона» в основном применяется в технической сфере, при настройке DNS-серверов (поддержание зоны, делегирование зоны, трансфер зоны).

Серверы имен:

· BIND (Berkeley Internet Name Domain).

· djbdns (Daniel J. Bernstein's DNS)

· MaraDNS.

· NSD(Name Server Daemon).

· PowerDNS.

· OpenDNS.

· Microsoft DNS Server(в серверных версиях операционных систем Windows NT).

· MyDNS.

Размещено на Allbest.ru

...