67589

Архитектура протоколов информационно-вычислительных сетей

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Протокол это набор семантических и синтаксических правил определяющий поведение функциональных блоков сети или передачи данных. Другими словами протокол это совокупность соглашений относительно способа представления данных обеспечивающего их передачу в нужных направлениях и правильную интерпретацию данных всеми участками...

Русский

2014-09-12

103 KB

3 чел.

Архитектура протоколов

информационно-вычислительных сетей

План

1. Определения.

2. Основные сетевые архитектуры.

2.1. Эталонная модель взаимодействия открытых систем.

2.2. Частные сетевые архитектуры.

2.2.1. Сетевая архитектура DARPA.

2.2.2. Стек протоколов TCP/IP.

1. Определения

Протокол –  это набор семантических и синтаксических правил, определяющий поведение функциональных блоков сети или передачи данных. Другими словами, протокол – это совокупность соглашений относительно способа представления данных, обеспечивающего их передачу в нужных направлениях и правильную интерпретацию данных всеми участками процесса информационного обмена.

Поскольку информационный обмен – это процесс многофункциональный, то протоколы делятся на уровни. За каждым уровнем закрепляется группа родственных функций. Для правильного взаимодействия узлов различных вычислительных сетей их архитектура должна быть открытой. Унификация и стандартизация  протоколов выполняются рядом международных организаций, что наряду с разнообразием типов сетей породило большое число различных протоколов. Наиболее широко распространенными являются протоколы, разработанные для сети ARPANET и применяемые в Internet, протоколы открытых систем Международной организации по стандартизации ISO,  протоколы Международного телекоммуникационного союза ITU и протоколы Института инженеров по электротехнике и электронике IEEE. Протоколы сети Internet объединяются под названием  TCP/IP. Протоколы ISO являются семиуровневыми и известны как протоколы базовой эталонной модели взаимосвязи открытых систем (ВОС).

2. Основные сетевые архитектуры

Каждая отдельная группа сетевых протоколов называется сетевой архитектурой. Основными широко используемыми на практике сетевыми архитектурами считаются такие архитектуры, как TCP\IP, DARPA, DNA и SNA. Эти архитектуры развивались отдельно и независимо от эталонной модели ВОС, и являются частными архитектурами. В данной лекции подробно будет рассмотрена эталонная модель ВОС и вкратце даны две схожие архитектуры такие, как DARPA и TCP\IP. Также будет дано соответствие этих сетевых архитектур эталонной модели ВОС.

2.1. Эталонная модель взаимодействия открытых систем

Вычислительные сети, построенные по модели ВОС, должны удовлетворять таким требованиям, как открытость, гибкость, эффективность.

Открытость – это возможность включения дополнительных главных ЭВМ, терминалов, узлов и линий связи без изменения технических и программных средств сети.

Гибкость – это сохранение работоспособности при изменении структуры сети в результате выхода из строя ЭВМ, линий и узлов связи, допустимость изменения типов ЭВМ и линий связи, а также возможность работы любых главных ЭВМ с терминалами различных типов. В этом смысле этому понятию соответствует понятие гетерогенность (разнородность).

Эффективность – это обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей при минимальных затратах.

Указанные требования реализуются за счет модульного принципа организации управления процессами в сети по многоуровневой схеме.

В архитектуре ВОС можно реализовать только протоколы ВОС, и конкретные изделия должны соответствовать этим протоколам. Соответствие двух различных изделий эталонной модели еще не означает, что они могут взаимодействовать между собой. Для этого нужно соответствие их одному протоколу.

Архитектура эталонной модели ВОС является семиуровневой. Под уровнем эталонной модели понимается иерархическое подмножество функций ВОС, определяющих услуги смежному верхнему уровню по обмену данными и использующее для этого услуги смежного нижнего уровня. В свою очередь, услуга – это функциональная возможность, предоставляемая одному или нескольким вышерасположенным уровням, т.е. набор функций.

На рис. 2.1. представлена многоуровневая организация вычислительной сети. Модуль уровня n физически взаимодействует с модулями соседних уровней (n+1) и (n-1). Модуль уровня 1 взаимодействует с передающей средой, которая может рассматриваться как уровень 0. Каждый уровень выполняет свои функции (рис. 2.2).

Теперь рассмотрим функции эталонной модели ВОС, начиная с верхнего уровня.

7-й уровень (прикладной) включает средства управления прикладными процессами. Протоколы этого уровня объединяются в функционально-ориентированные комплексы, которые управляют терминалами, диалогом с пользователем, файловой системой, целостностью информации и т.д. На этом уровне определяются и группируются в блоки те данные, которые подлежат передаче по сети. Уровень включает, например, такие средства взаимодействия прикладных программ, как прием и хранение пакетов в “почтовых ящиках”.

6-й уровень (представительный) реализуются функции представления данных (кодирование, форматирование, структурирование). Например, на этом уровне выделенные для передачи данные преобразуются из кода EBCDIC в ASCII-код и т.п.

5-й уровень (сеансовый) предназначен для организации синхронизации диалога, ведущегося станциями сети. На этом уровне определяется тип связи (дуплексная или полудуплексная), начало и окончание сообщения, последовательность и режим обмена запросами и ответами.

4-й уровень (транспортный) предназначен для управления сквозными каналами в сети передачи данных; на этом уровне обеспечивается связь между оконечными пунктами, и устанавливаются такие параметры виртуального канала, как пропускная способность сети, время передачи сообщения, время установления соединения, допустимая частота ошибок при передаче и т.д. К функциям транспортного уровня относятся сборка и разборка пакетов, обнаружение и устранение ошибок в передаче данных. При дейтаграммном режиме передачи сообщения на этом уровне передаваемое сообщение разделяется на дейтаграммы (пакеты). Порция данных, которой оперирует сетевой уровень, называется сегментом.

3-й уровень (сетевой) на этом уровне происходит формирование пакетов по правилам тех промежуточных сетей, через которые проходит исходный пакет и маршрутизация пакетов, т.е. определение и реализация маршрутов, по которым передаются пакеты. Маршрутизация сводится к образованию логических (виртуальных) каналов Еще одной важной функцией сетевого уровня является контроль нагрузки в сети с целью предотвращения перегрузок. Порция данных, которой оперирует сетевой уровень, называется пакетом.

2-й уровень (канальный) предоставляет услуги по обмену данными между логическими объектами сетевого уровня и выполняет функции, связанные с формированием и передачей кадров, обнаружением и исправлением ошибок передачи, возникающих на физическом уровне. Кадром называется порция данных канального уровня, т.е. передаваемый пакет на предыдущих уровнях может состоять из одного или нескольких кадров.

1-й уровень (физический) предоставляет механические, электрические, функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разъединения логических соединений между логическими объектами канального уровня; реализует функции передачи битов данных через физические среды в синхронном или асинхронном режиме, прослушивание моноканала.

В случаях проектирования конкретных сетей может возникать потребность в реализации лишь части названных функций модели ВОС.

В простых неразветвленных ЛВС отпадает необходимость в средствах сетевого и транспортного уровней. Из-за сложности функций канального уровня его в ЛВС принято разделять на два подуровня: управления доступом к среде (ПУДС - MAC) и управления логическим каналом (ПУЛК - LLC).

Передача данных через разветвленные сети осуществляется при использовании инкапсуляции/декапсуляции порций данных. Это происходит так: сообщение, пришедшее на транспортный уровень, делится на сегменты, которые получают заголовки и передаются на сетевой уровень. Сетевой уровень организует передачу данных через промежуточные сети. Для этого сегмент может быть разделен на части (пакеты), если сеть не поддерживает передачу сегментов целиком. Пакет снабжается своим сетевым заголовком (т.е. происходит инкапсуляция). При передаче между узлами промежуточной ЛВС требуется инкапсуляция пакетов в кадры с возможной разбивкой пакета на канальном уровне. Приемник декапсулирует сегменты и восстанавливает исходное сообщение.



2.2. Частные сетевые архитектуры

2.2.1. Сетевая архитектура DARPA

Архитектура протоколов DARPA (архитектура протоколов управления перспективными НИОКР министерства обороны США) была разработана для применения в объединенной экспериментальной сети DDN (Deferce Data Network), возникшей путем подключения к известной американской сети ARPANET большого количества разнородных сетей пакетной коммутации, соединенных шлюзами. Часть протоколов DARPA принята в качестве военных стандартов США, а транспортные и межсетевые протоколы вошли в стандарты Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и ВОС, и образовали архитектуру протоколов TCP/IP.

Согласно архитектуре DARPA функционируют такие сети, как ARPANET, ARPA-Internet и военная сеть DDN. Сети ARPA-Internet и DDN появились в результате развития сети ARPANET. Сеть DDN объединяет различные военные ведомства и командные подразделения США, а также военные научно-исследовательские лаборатории и институты. Сеть ARPA-Internet, в свою очередь, возникла как объединение сетей передачи данных с различными физическими каналами, например, трансатлантической спутниковой сети SATNET, экспериментальной широкополосной сети WBNET, пакетной радиосети с подвижными ЭВМ и др. Объединение таких различных сетей в одну стало возможным благодаря разработке единого межсетевого протокола IP и единого транспортного протокола TCP.

Сложившаяся архитектура DARPA (рис. 2.3) отражает все усилия разработчиков по созданию глобальных распределенных информационных систем, а также специфические военные требования министерства обороны США, такие как высокая живучесть, высокая устойчивость работы, безопасность, защита от электронных диверсий, взаимодействие с боевыми подразделениями, работа в широковещательном режиме и т.д.

В рис. 2.3 использованы следующие обозначения:

IP - межсетевой протокол;

ICMP - межсетевой управляющий протокол;

ST - потоковый протокол;

TCP - транспортный протокол управления передачей;

GGP - межшлюзовый протокол;

HMP - протокол контроля главной ЭВМ;

EGP - внешний межшлюзовый протокол;

UDP - пользовательский дейтаграммный протокол;

FTP - протокол передачи файлов;

Telnet - протокол доступа терминалов;

SMTP - протокол электронной почты;

TFTP - простой протокол передачи файлов;

DNS (NS) - справочная служба доменных имен;

NVP - сетевой протокол передачи речи;

MOSIS - служба интегральных каналов ОС MOS (международной организации по стандартизации).

Так же, как и эталонная модель ВОС, архитектура протоколов DARPA разбита на семь уровней, однако со своими особенностями. Наличие межсетевого уровня обусловлено существованием разнородных подсетей с различными внутрисетевыми протоколами передачи пакетов. Отличие на верхних уровнях этих сетевых архитектур порождено тем, что в сети использовались конкретные протоколы, обслуживающие разнообразные прикладные задачи. На утилитарном уровне находятся протоколы, которые объединяют функции управления различными транспортными службами от имени конкретной прикладной задачи. На каждом уровне архитектуры DARPA существует несколько протоколов с различными функциональными свойствами, что верхних уровнях обусловлено различием в обслуживании, требуемом для различным прикладных задач, а на нижних уровнях - наличием большого количества разнородных существующих сетей.

2.2.2. Стек протоколов TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP представляет собой набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Он был разработан на базе университета Беркли по инициативе Министерства обороны США в середине 70-х годов для связи экспериментальной сети ARPA с другими сетями на основе сетевой архитектуры DARPA и развит для ОС UNIX. Однако в последнее время стек протоколов TCP/IP реализован и в последних версиях сетевых операционных систем для персональных ЭВМ, таких как Windows NT 3.5, NetWare 4.1, Windows 95 и выше.

Так как стек протоколов TCP/IP был разработан до появления эталонной модели ВОС, то хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие его уровней уровням модели ВОС достаточно условное. Протоколы стека TCP/IP делятся на 4 уровня (рис. 2.4).

Самый нижний уровень (уровень IV) - уровень сетевого интерфейса соответствует физическому и канальному уровням модели ВОС. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все основные стандарты физического и канального уровней. Для локальных сетей - это Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN, а для глобальных сетей - это протоколы соединения "точка-точка" SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay. Разработана также спецификация, определяющая использование технологии АТМ в качестве средства взаимодействия канального уровня.

Следующий уровень (уровень III) - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т.п. В качестве основного протокола этого уровня используется протокол IP, который предназначен для сетей со сложной топологией. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, т.е. он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но увеличивает скорость передачи всего сообщения.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol), который предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакетов.

Уровень II называется транспортным и является основным. На этом уроне функционирует протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и протокол IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. К протоколам этого уровня относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие.

Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлам и предлагает наиболее широкий набор услуг для работы с файлами, однако он является и самым сложным для программирования. Приложения, которым не требуются все возможности FTP, могут использовать другой, более экономичный протокол - простейший протокол пересылки файлов TFTP (Trivial File Transfer Protocol). Этот протокол реализует только передачу файлов, причем в качестве транспорта используется более простой, чем TCP, протокол без установления соединения - UDP.

Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессами, а также между процессом и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера.

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. В частности этот протокол применяется для управления любым коммуникационным оборудованием - концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами и т.д.

Системная сетевая архитектура (SNA) была разработана фирмой IBM для обеспечения систем телеобработки, а сетевая архитектура DNA (Digital Network Architecture) разработана фирмой DEC для объединения ЭВМ, управляемых различными операционными системами, в единую распределенную сеть.


Физический

Канальный

Сетевой

етевой

Расширенный транспортный

Прикладной

Прикладной

MOSIS

ЛВС

пакетная радиосеть

SatNet

ST\IP

ST

EGP

GGP

HMP

служба времени

речевая  конфе-ренция

ГЭВМ

пользо-ватель

DNS ГЭВМ

DNS пользо-вателя

ТFTP ГЭВМ

ТFTP пользо-вателя

протокол эл. почты

TELNET ГЭВМ

TELNET пользо-вателя

FTP ГЭВМ

FTP пользо-вателя

TFTP

WBNet

Х.25

Утилитарный

Физический

Канальный

Межсетевой

Транспортный

Сеансовый

WWW, Gopher, WAIS

РРР

Х.25

RIP

Рис. 2.4. Структура стека протоколов TCP/IP

Уровень IV Сетевого интерфейса

Уровень III Межсетевого взаимодействия

Уровень II Транспортный

Уровень I Прикладной

Физический

Канальный

Сетевой

Транспортный

Сеансовый

Представления

Прикладной

Уровни стека TCP/IP

Уровни модели ВОС

Token Ring

Ethernet

TFTP

OSPF

ICMP

IP

ARP

UDP

TCP

SNMP

DNS

SMTP

FTP

TELNET

Представления

Уровни архитектуры DARPA

Уровни модели ВОС

ArpaNet

IP\ICMP

UDP

TCP

NVP-2

DNS

SMTP

FTP

TELNET

Рис. 2.3. Архитектура протоколов DARPA, реализованная в сети ARPA-Internet

7

6

5

4

3

2

1

Уровни ЭМВОС

прикладной

представления

сеансовый

транспортный

сетевой

канальный

физический

1

2

3

4

5

6

7

служба взаимодействия

транспортный канал

сеть передачи данных

информационный канал

физический канал

порты

Прикладные процессы

сопряжение систем с физическими

средствами соединения

передача данных между смежными системами

прокладка соединений между системами

предоставление сквозных соединений

организация и проведение диалога

формы взаимодействия прикладных процессов

Рис. 2.1. Многоуровневая организация вычислительной сети

преобразование данных

к физическим средствам соединения

Уровни

7

6

5

4

3

2

1

Рис. 2.2. Структура сервиса уровней ЭМВОС

передающая среда


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74333. Двухобмоточные силовые тр-ры. Виды, условные обозначения, принципиальные сх., сх. замещения. Моделирование трансформаторов и определение параметров сх. замещения 224 KB
  замещения. замещения. Установим связь схемы замещения трансформатора с его реальными схемнорежимными параметрами. Эта схема в которой магнитная связь между обмотками заменена электрической называется схемой замещения трансформатора.
74334. Понятие пропускной способности электропередачи, факторы её определяющие 32 KB
  Второе ограничение связано с риском нарушения синхронной работы генератора при повышении нагрузки на которых возникает условие для выхода из синхронизма. Это ограничение чаще практикуется по статической устойчивости. При некоторой меньшей длине активным ограничение будет являться ограничение по нагреванию. Заметим что ограничение по нагреванию не зависит от длины ЛЭП.
74335. Компактные, компенсированные электропередачи переменного тока 66 KB
  Компактные компенсированные электропередачи переменного тока. В основу конструкций перспективных компактных воздушных линий электропередач разработанных в нашей стране положена простая идея. Образцы таких распорок уже созданы и составлены проекты будущих компактных воздушных линий электропередач рис. В скобках показаны для сравнения расстояния между фазами для обычных воздушных линий электропередач Расчеты показали что при меньших по сравнению с обычными воздушными линиями электропередач размерами компактные воздушные линии электропередач...
74336. Моделирование (представление) эл нагрузок при расчете рабочих режимов эл.передач и эл.сетей 114.5 KB
  Активные элементы схем замещения электрических сетей и систем нагрузки и генераторы представляются в виде линейных или нелинейных источников. Способы задания нагрузок при расчетах режимов: а постоянный по модулю и фазе ток; б постоянная по модулю мощность; вгпостоянные проводимость или сопротивление; дстатические характеристики нагрузки по напряжению; еслучайный ток Нагрузка задается постоянным по модулю и фазе током рис.Такая форма представления нагрузки принимается при всех расчетах распределительных сетей низкого напряжения...
74337. Статические характеристики электрических нагрузок 75 KB
  Зависимости показывающие изменение активной и реактивной мощности и от частоты f и подведенного напряжения U при медленных изменениях менее 1 сек этих параметров называют статическими характеристиками нагрузки СХН. Полученные при этом СХН называются естественными. Примерный состав нагрузки соответствующий типовым СХН Асинхронные двигатели...
74338. Представление генераторов при расчете установившихся режимов эл.передач ЭЭС. 105 KB
  В расчетах установившихся режимов электрических сетей и систем как правило не учитываются и а генератор представляется источником подключенным к шинам генераторного напряжения. Обычно для генерирующих узлов при фиксированных и не известны модуль и фаза напряжения узла и либо активные и реактивные составляющие напряжения и . Постоянные активная мощность и модуль напряжения В этом случае переменными являются как правило реактивная мощность и фаза напряжения. Задание постоянного модуля напряжения при соответствует реальным...
74339. Моделирование (представление) линии эл.передачи 0,38-220 кВ. характерные данные и основные соотношения между параметрами схем замещения ЛЭП 210.5 KB
  Характерные данные и основные соотношения между параметрами схем замещения ЛЭП. Выше приведена характеристика отдельных элементов схем замещения линий. При расчете симметричных установившихся режимов ЭС схему замещения составляют для одной фазы
74340. Особенности моделирования воздушных линий электропередачи со стальными проводами 116.5 KB
  Особенности моделирования воздушных линий электропередачи со стальными проводами. Поэтому стальные провода применяют при выполнении больших переходов через естественные препятствия широкие реки горные ущелья и т.
74341. Моделирование протяженных линий эл.передачи напряжением 330-750 кВ 38 KB
  Линии электропередачи с номинальным напряжением 330 500 750 кВ разделяют посредством переключательных пунктов на участки в 250 350 км что локализует и уменьшает влияние поврежденных участков на изменение параметров режима и устойчивость работы сети рис. Такое построение линии а также включение промежуточных подстанций разбивает электропередачу на участки и ее удобно моделировать цепочной схемой замещения. Протяженные линии в режиме минимальных нагрузок имеют избыток реактивной мощности генерируемой линией. Для компенсации этой...