Стандарты и стеки протоколов

Спецификации Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE802 определяют стандарты для физических компонентов сети. Эти компоненты – сетевая карта (Network Interface Card – NIC) и сетевой носитель (network media), которые относятся к физическому и канальному уровням модели OSI. Спецификации IEEE802 определяют механизм доступа адаптера к каналу связи и механизм передачи данных. Стандарты IEEE802 подразделяют канальный уровень на подуровни:

- Logical Link Control (LLC) – подуровень управления логической связью;

- Media Access Control (MAC) – подуровень управления доступом к устройствам.

Спецификации IEEE 802 делятся на двенадцать стандартов:

802.1

Стандарт 802.1 (Internetworking – объединение сетей) задает механизмы управления сетью на MAC – уровне. В разделе 802.1 приводятся основные понятия и определения, общие характеристики и требования к локальным сетям, а также поведение маршрутизации на канальном уровне, где логические адреса должны быть преобразованы в их физические адреса и наоборот.

802.2

Стандарт 802.2 (Logical Link Control – управление логической связью) определяет функционирование подуровня LLC на канальном уровне модели OSI. LLC обеспечивает интерфейс между методами доступа к среде и сетевым уровнем.

802.3

Стандарт802.3 ( Ethernet Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – CSMA/CD LANs Ethernet – множественный доступ к сетям Ethernet с проверкой несущей и обнаружением конфликтов) описывает физический уровень и подуровень MAC для сетей, использующих шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением конфликтов. Прототипом этого метода является метод доступа стандарта Ethernet (10BaseT, 10Base2, 10Base5). Метод доступа CSMA/CD. 802.3 также включает технологии Fast Ethernet (100BaseTx, 100BaseFx, 100BaseFl).

100Base-Tx – двухпарная витая пара. Использует метод MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5B по витой паре, а также имеется функция автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта.

100Base-T4 – четырехпарная витая пара. Вместо кодирования 4B/5В в этом методе используется кодирование 8B/6T.

100BaseFx – многомодовое оптоволокно. Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования и передачи оптических сигналов, использующейся уже на протяжении ряда лет в стандарте FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Tx).

Этот метод доступа используется в сетях с общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply access – MA).

Метод доступа CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети.

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции–источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

802.4

Стандарт802.4 (Token Bus LAN – локальные сети Token Bus) определяет метод доступа к шине с передачей маркера, прототип – ArcNet.

При подключении устройств в ArcNet применяют топологию «шина» или «звезда». Адаптеры ArcNet поддерживают метод доступа Token Bus (маркерная шина) и обеспечивают производительность 2,5 Мбит/с. Этот метод предусматривает следующие правила:

- все устройства, подключённые к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер);

- в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом;

- кадр, передаваемый одной станцией, одновременно анализируется всеми остальными станциями сети.

В сетях ArcNet используется асинхронный метод передачи данных (в сетях Ethernet и Token Ring применяется синхронный метод), т. е. передача каждого байта в ArcNet выполняется посылкой ISU (Information Symbol Unit – единица передачи информации), состоящей из трёх служебных старт/стоповых битов и восьми битов данных.

802.5

Стандарт802.5 (Token Ring LAN – локальные сети Token Ring) описывает метод доступа к кольцу с передачей маркера, прототип – Token Ring.

Сети стандарта Token Ring, так же как и сети Ethernet, используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциями права на использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером, или токеном.

802.6

Стандарт802.6 (Metropolitan Area Network – городские сети) описывает рекомендации для региональных сетей.

802.7

Стандарт802.7 (Broadband Technical Advisory Group – техническая консультационная группа по широковещательной передаче) описывает рекомендации по широкополосным сетевым технологиям, носителям, интерфейсу и оборудованию.

802.8

Стандарт 802.8 (Fiber Technical Advisory Group – техническая консультационная группа по оптоволоконным сетям) содержит обсуждение использования оптических кабелей в сетях 802.3 – 802.6, а также рекомендации по оптоволоконным сетевым технологиям, носителям, интерфейсу и оборудованию, прототип – сеть FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

Стандарт FDDI использует оптоволоконный кабель и доступ с применением маркера. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец – это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. Скорость сети до 100 Мб/с. Данная технология позволяет включать до 500 узлов на расстоянии 100 км.

802.9

Стандарт 802.9 (Integrated Voice and Data Network – интегрированные сети передачи голоса и данных) задает архитектуру и интерфейсы устройств одновременной передачи данных и голоса по одной линии, а также содержит рекомендации по гибридным сетям, в которых объединяют голосовой трафик и трафик данных в одной и той же сетевой среде.

802.10

В стандарте 802.10 (Network Security – сетевая безопасность) рассмотрены вопросы обмена данными, шифрования, управления сетями и безопасности в сетевых архитектурах, совместимых с моделью OSI.

802.11

Стандарт802.11 (Wireless Network – беспроводные сети) описывает рекомендации по использованию беспроводных сетей.

802.12

Стандарт802.12 описывает рекомендации по использованию сетей 100VG – AnyLAN со скоростью100Мб/с и методом доступа по очереди запросов и по приоритету (Demand Priority Queuing – DPQ, Demand Priority Access – DPA).

Технология 100VG – это комбинация Ethernet и Token-Ring со скоростью передачи 100 Мбит/c, работающая на неэкранированных витых парах. В проекте 100Base-VG усовершенствован метод доступа с учетом потребности мультимедийных приложений. В спецификации 100VG предусматривается поддержка волоконно-оптических кабельных систем. Технология 100VG использует метод доступа – обработка запросов по приоритету (demand priority access). В этом случае узлам сети предоставляется право равного доступа. Концентратор опрашивает каждый порт и проверяет наличие запроса на передачу, а затем разрешает этот запрос в соответствии с приоритетом. Имеется два уровня приоритетов – высокий и низкий.

Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации межсетевого взаимодействия, называется стеком протоколов. Для каждого уровня определяется набор функций–запросов для взаимодействия с выше лежащим уровнем, который называется интерфейсом. Правила взаимодействия двух машин могут быть описаны в виде набора процедур для каждого из уровней, которые называются протоколами.

Существует достаточно много стеков протоколов, широко применяемых в сетях. Это и стеки, являющиеся международными и национальными стандартами, и фирменные стеки, получившие распространение благодаря распространенности оборудования той или иной фирмы. Примерами популярных стеков протоколов могут служить стек IPX/SPX фирмы Novell, стек TCP/IP, используемый в сети Internet и во многих сетях на основе операционной системы UNIX, стек OSI международной организации по стандартизации, стек DECnet корпорации Digital Equipment и некоторые другие.

Стеки протоколов разбиваются на три уровня:

- сетевые;

- транспортные;

- прикладные.

Сетевые протоколы

Сетевые протоколы предоставляют следующие услуги: адресацию и маршрутизацию информации, проверку на наличие ошибок, запрос повторной передачи и установление правил взаимодействия в конкретной сетевой среде. Ниже приведены наиболее популярные сетевые протоколы.

- DDP (Datagram Delivery Protocol – Протокол доставки дейтаграмм).Протокол передачи данных Apple, используемый в Apple Talk.

- IP (Internet Protocol – Протокол Internet). Протокол стека TCP/IP, обеспечивающий адресную информацию и информацию о маршрутизации.

- IPX (Internetwork Packet eXchange – Межсетевой обмен пакетами) в NWLink.Протокол Novel NetWare, используемый для маршрутизации и направления пакетов.

- NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface – расширенный пользовательский интерфейс базовой сетевой системы ввода вывода). Разработанный совместно IBM и Microsoft, этот протокол обеспечивает транспортные услуги для NetBIOS.

Транспортные протоколы

Транспортные протоколы предоставляют следующие услуги надежной транспортировки данных между компьютерами. Ниже приведены наиболее популярные транспортные протоколы.

- ATP (Apple Talk Protocol – Транзакционный протокол Apple Talk) и NBP (Name Binding Protocol – Протокол связывания имен). Сеансовый и транспортный протоколы Apple Talk.

- NetBIOS ( Базовая сетевая система ввода вывода). NetBIOS Устанавливает соединение между компьютерами, а NetBEUI предоставляет услуги передачи данных для этого соединения.

- SPX (Sequenced Packet eXchange – Последовательный обмен пакетами) в NWLink.Протокол Novel NetWare, используемый для обеспечения доставки данных.

- TCP (Transmission Control Protocol – Протокол управления передачей).Протокол стека TCP/IP, отвечающий за надежную доставку данных.

Прикладные протоколы

Прикладные протоколы отвечают за взаимодействие приложений. Ниже приведены наиболее популярные прикладные протоколы.

- AFP (Apple Talk File Protocol – Файловый протокол Apple Talk).Протокол удаленного управления файлами Macintosh.

- FTP (File Transfer Protocol – Протокол передачи файлов). Протокол стека TCP/IP,используемый для обеспечения услуг по передачи файлов.

- NCP (NetWare Core Protocol – Базовый протокол NetWare). Оболочка и редиректоры клиента Novel NetWare.

- SNMP (Simple Network Management Protocol – Простой протокол управления сетью).Протокол стека TCP/IP, используемый дляуправления и наблюдения за сетевыми устройствами.

- HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) – протокол передачи гипертекста и другие протоколы.

Набор многоуровневых протоколов, или как называют стек TCP/IP, предназначен для использования в различных вариантах сетевого окружения. Стек TCP/IP с точки зрения системной архитектуры соответствует эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection – взаимодействие открытых систем) и позволяет обмениваться данными по сети приложениям и службам, работающим практически на любой платформе, включая Unix, Windows, Macintosh и другие.

Рис. 0.3 Соответствие семиуровневой модели OSI и четырехуровневой модели TCP/IP

Реализация TCP/IP фирмы Microsoft [1] соответствует четырехуровневой модели вместо семиуровневой модели, как показано на рис. 3.1. Модель TCP/IP включает большее число функций на один уровень, что приводит к уменьшению числа уровней. В модели используются следующие уровни:

- уровень Приложения модели TCP/IP соответствует уровням Приложения, Представления и Сеанса модели OSI;

- уровень Транспорта модели TCP/IP соответствует аналогичному уровню Транспорта модели OSI;

- межсетевой уровень модели TCP/IP выполняет те же функции, что и уровень Сети модели OSI;

- уровень сетевого интерфейса модели TCP/IP соответствует Канальному и Физическому уровням модели OSI.

Уровень Приложения

Через уровень Приложения модели TCP/IP приложения и службы получают доступ к сети. Доступ к протоколам TCP/IP осуществляется посредством двух программных интерфейсов (API – Application Programming Interface):

- Сокеты Windows;

- NetBIOS.

Интерфейс сокетов Windows, или как его называют WinSock, является сетевым программным интерфейсом, предназначенным для облегчения взаимодействия между различными TCP/IP – приложениями и семействами протоколов.

Интерфейс NetBIOS используется для связи между процессами (IPC – Interposes Communications) служб и приложений ОС Windows. NetBIOS выполняет три основных функции:

- определение имен NetBIOS;

- служба дейтаграмм NetBIOS;

- служба сеанса NetBIOS.

В таблице 3.1 приведено семейство протоколов TCP/IP.

Таблица 0.1

Название протокола	Описание протокола
WinSock	Сетевой программный интерфейс
NetBIOS	Связь с приложениями ОС Windows
TDI	Интерфейс транспортного драйвера (Transport Driver Interface) позволяет создавать компоненты сеансового уровня.
TCP	Протокол управления передачей (Transmission Control Protocol)
UDP	Протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol)
ARP	Протокол разрешения адресов (Address Resolution Protocol)
RARP	Протокол обратного разрешения адресов (Reverse Address Resolution Protocol)
IP	Протокол Internet(Internet Protocol)
ICMP	Протокол управляющих сообщений Internet (Internet Control Message Protocol)
IGMP	Протокол управления группами Интернета (Internet Group Management Protocol),
NDIS	Интерфейс взаимодействия между драйверами транспортных протоколов
FTP	Протокол пересылки файлов (File Transfer Protocol)
TFTP	Простой протокол пересылки файлов (Trivial File Transfer Protocol)

Уровень транспорта

Уровень транспорта TCP/IP отвечает за установления и поддержания соединения между двумя узлами. Основные функции уровня:

- подтверждение получения информации4

- управление потоком данных;

- упорядочение и ретрансляция пакетов.

В зависимости от типа службы могут быть использованы два протокола:

- TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей);

- UDP (User Datagram Protocol – пользовательский протокол дейтаграмм).

TCP обычно используют в тех случаях, когда приложению требуется передать большой объем информации и убедиться, что данные своевременно получены адресатом. Приложения и службы, отправляющие небольшие объемы данных и не нуждающиеся в получении подтверждения, используют протокол UDP, который является протоколом без установления соединения.