Не так давно организация локальных сетей требовала обязательного использования правильного протокола. Такой выбор оказывал влияние на то, какие типы компьютеров можно к нему подключить. Сегодня подобная проблема практически исчезла. Современные сетевые заменили все, что существовали ранее. Это универсальное решение, которое можно использовать в любой операционной системе.
Терминология
Сетевой протокол - это установленный язык, на котором происходит общение программ. Пересылка данных представляет собой перемещение какого-то потока битов по кабелю. Для того чтобы он доходил до целевого компьютера и представлялся в нем в виде данных, требуется определенный набор правил. Именно они и прописаны в стандартных протоколах. Про них обычно говорят, что они имеют уровень вложенности. Как это понимать? Есть физический уровень, который представляет собой перечень определений, к примеру, каким может быть сетевой кабель, толщина его жил и прочие параметры. Допустим, речь идет об исправном кабеле. Тогда пакеты данных будут отправляться по нему. Но какой из компьютеров будет их принимать? Тут в работу включается канальный уровень, при этом в заголовке пакетов указывается физический адрес каждой машины - определенное число, вшитое в Его называют MAC-адресом.
Сетевая иерархия
Канальный уровень совпадает с Ethernet. В пакете содержится набор определенных параметров, задающих его тип. Данные находятся в прямой зависимости от этого типа, а их содержание относится к сетевому уровню. Существует два самых распространенных протокола: ARP, который отвечает за преобразование IP-адресов в MAC, и сам IP-протокол. Можно привести структуру IP-пакета. Все данные, которые переносятся с его помощью, уже отправляются на конкретный сетевой адрес. В пакете имеется число в установленном формате, обозначающее тип протокола.
Самыми распространенными являются два типа: TCP и UDP. Между ними имеется определенное отличие, состоящее в том, что первый характеризуется максимальной степенью надежности, ведь при отправке пакета он постоянно отправляет запрос о его получении. Второй сетевой протокол - это удобный инструмент, к примеру, при прослушивании интернет-радио. При этом предполагается отправка пакетов без какой-либо проверки факта их получения. Если он дошел, то вы сможете прослушивать радио, а если нет - то нет смысла в проверке и контроле.
Особенности доставки пакетов
В пакете обязательно указан номер порта, куда осуществляется отправка. Обычно этот параметр определяется типом протокола на прикладном уровне - в зависимости от приложения, которому направлена информация. Можно использовать и нестандартные порты сервисов, никто этого не запрещает. Самыми известными сетевыми протоколами в данном случае являются HTTP и POP3. Получает определенная иерархия вложенности пакетов. В Ethernet-пакет вложен IP, далее TCP или UDP, а потом данные, ориентированные на конкретное приложение.
Отличительные характеристики
Сетевой протокол, в отличие от протоколов не привязывается к определенной аппаратуре. Их реализация происходит на уровне программного обеспечения, поэтому их можно установить и удалить в любой момент.
IP и TCP/IP
Данный сетевой протокол используется не только в сети интернет, но и внутри самой Он представляет транспортный и сетевой уровень, благодаря чему осуществляется передача данных блоками. Очень долгие годы его использовали только в UNIX-сетях, а теперь, когда интернет разросся довольно стремительно, сетевой протокол IP стал использоваться почти в каждом из видов локальных компьютерных сетей. На данный момент он служит в качестве основного протокола для большинства служб, работающих в операционных системах.
Локальные и коммутируемые сети
Старые сетевые протоколы требовали каких-то специфических знаний, а TCP/IP применяется такими пользователями, которые никогда даже не видели сетевые платы. Доступ к интернету при помощи модема или локальной сети обеспечивается при условии использования одного и того же протокола. А процесс его настройки полностью зависит от типа соединения, используемого при этом. Стоит отметить, что протоколы сетевого уровня отличаются от всех остальных, а параметры доступа к локальной сети либо с помощью модема тоже имеют определенные нюансы. Коммутируемое соединение лучше устанавливать с помощью программы автоматической конфигурации, которая поставляется самим провайдером. Иначе требуется вручную вводить все необходимые параметры. Можно рассмотреть основные сетевые протоколы.
Протокол IPX
Данный комплект был разработан компанией Novell с целью использования для собственной ОС NetWare. IPX частично схож с TCP/IP, то есть в него включены некоторые протоколы из данного пакета, но компания защитила его авторскими правами. Однако корпорация Microsoft создала свой протокол, совместимый с этим, предназначенный для операционных систем из семейства Windows. IPX представляет собой сетевой протокол, который в плане функционала аналогичен IP. SPX - это инструмент дл транспортного уровня, который предназначен для обеспечения обмена пакетными данными между отдельными машинами.
На данный момент этот протокол применяют только в сетях с серверами, где установлены старые версии операционной системы NetWare. Часто его используют в комплекте с какими-то другими наборами сетевых протоколов. Теперь компания Nowell полностью перешла на новый универсальный протокол TCP/IP.
NetBEUI
Данный сетевой протокол применяется в сетях малых размеров. Его впервые представили в Windows NT 3.1, а также в нескольких последующих версиях этой системы, где он использовался по умолчанию. В последних версиях систем его место занял уже известный нам TCP/IP. Этот протокол довольно прост, ему не хватает многих функций, используемых в более продвинутых вариантах. Он не подходит для межсетевого обмена данными. Он может пригодиться для простой однако теперь он даже не представлен в качестве стандартного компонента ОС, его требуется устанавливать самостоятельно с диска.
NetBEUI - это удобное средство для создания прямого кабельного подключения, и в этом смысле это минимальный протокол, который требуется для формирования одноранговой сети в версиях Windows 9x.
Выводы
Важно запомнить определенные моменты. На данный момент существует уже не один сетевой протокол. Все они предназначены для осуществления связи, однако у каждого из них совершенно разные задачи, есть преимущества и недостатки в сравнении с остальными. Использование каждого из них предполагает наличие определенных условий работы, которые обычно прописываются самим протоколом. При выборе того или иного решения стоит полагаться именно на этот параметр.
При обмене информацией в сети каждый уровень модели взаимодействия открытых систем реагирует на свой заголовок, то есть происходит взаимодействие между однолинейными уровнями модели в различных абонентских ЭВМ.
Протокол (стандарт) – это набор правил, определяющий взаимодействие двух однолинейных уровней модели взаимодействия открытых систем в различных абонентских ЭВМ.
Правила и последовательность выполнения действий при обмене информацией, определенные протоколом, должны быть реализованы в программном обеспечении. Обычно функции протоколов различных уровней реализуются в драйверах для различных ВС. Таким образом, следует говорить о необходимости существования протоколов для каждого из семи уровней.
Легче всего подвергаются стандартизации протоколы трех первых нижних уровней, так как они определяют действия и процедуры, свойственные для ВС любого класса. Труднее стандартизируются остальные, особенно прикладной, из-за множественности прикладных задач.
Примеры протоколов:
· Протоколы физического уровня – х.21, х.21 бис и т.д.
· Канального уровня – SDLC, 802.2, 802.3, 802.4 (маркерная шина), 802.5 (маркерное кольцо) и т.д.
· Сетевого уровня – х.25.
Довольно часто протокол определяет взаимодействие нескольких уровней.
Например, протокол 802.3 содержит физический и канальный уровни взаимодействия.
Уровень представления данных – ASCII.
Прикладной уровень – х.400 (электронная почта), FTAM (File Transfer Access and Management – передача файлов, доступ к файлам и управление файлами).
Рассмотрим особенности сетевых протоколов канального уровня, которые делятся на две основные группы: байт-ориентированные и бит-ориентированные.
Байт-ориентированный протокол обеспечивает передачу сообщения по информационному каналу в виде последовательности байтов. Кроме информационных байтов в канал передаются также управляющие и служебные байты. Такой тип протокола удобен для ЭВМ, так как она ориентирована на обработку данных, представленных в виде двоичных байтов. Для коммуникационной среды он менее удобен, поскольку требуется использование дополнительного сигнала для разделения информационного потока на байты, что в конечном итоге снижает пропускную способность канала связи.
Наиболее известный байт – протокол BSC (Binary Synchronous Communication) - протокол двоичной синхронной связи, разработанный IBM. Протокол обеспечивает передачу двух типов данных: информационных и управляющих. В управляющих кадрах передаются управляющие и служебные символы, в информационных – сообщения (отдельные пакеты, последовательность пакетов). Работа протокола BSC осуществляется в три фазы: установление соединения, поддержание сеанса передачи сообщений, разрыв соединения. Протокол требует на каждый переданный кадр посылки квитанции о результате его приема. Кадры, переданные с ошибкой, передаются повторно. Протокол определяет максимальное число повторных передач. Передача последующего кадра возможна тогда, когда получена положительная квитанция на прием предыдущего. Это существенно ограничивает быстродействие протокола и предъявляет высокие требования к качеству канала связи.
Бит-ориентированный протокол предусматривает передачу информации в виде потока битов, не разделенных на байты. Поэтому для разделения кадров используются специальные последовательности - флаги. В начале кадра ставится флаг открывающий, а в конце - флаг закрывающий.
Бит-ориентированный протокол удобен относительно коммуникационной среды, для ЭВМ – менее удобен. Тем не менее, учитывая высокую производительность ЭВМ, протоколы данного типа являются более высокоскоростными по сравнению с байт-ориентированными и более популярны в ВС.
Протокол HDLC (High-Level Data Link Control – высший уровень управления каналом связи) и его подмножества – типичные представители протоколов данного типа. Протокол HDLC управляет информационным каналом с помощью специальных кадров, в которых передаются команды. Информационные кадры нумеруются. HDLC позволяет без получения положительной квитанции передавать в канал до трех – пяти кадров. Такой алгоритм работы обеспечивает более высокое быстродействие протокола.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Лекция 1. Введение. Понятие информатики
Структура информатики.. Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных.. Информатику в узком смысле можно представить как состоящую из трех взаимосвязанных частей технических средств..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Понятие информатики
Термин информатика возник в 60-х гг. во Франции для названия области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин. Французский
Информационное общество
Информационная культура - умение целенаправленно работать с информацией и использовать для ее получения, обработки и передачи компьютерной информационную технологию, современные те
История развития рынка информационных услуг
С середины 50-х гг. началось формирование устойчивого рынка информационных услуг. Основными поставщиками информационных услуг являлись: информационные службы академических, профессиональных и научн
Информация, сообщения, сигналы
Информация наряду с материей и энергией является первичным понятием нашего мира и поэтому в строгом смысле не может быть определена. Можно лишь перечислить ее основные свойства, например такие как:
Синтаксическая мера информации
Эта мера количества информации оперирует с обезличенной информацией, не выражающей смыслового отношения к объекту. На синтаксическом уровне учитываются тип носителя и способ представления информаци
Семантическая мера информации
Для измерения смыслового содержания информации, т.е. ее количества на семантическом уровне, наибольшее признание получила тезаурусная мера, которая связывает семантические свойства информации со сп
Прагматическая мера информации
Эта мера определяет полезность информации (ценность) для достижения пользователем поставленной цепи. Эта мера также величина относительная, обусловленная особенностями использования этой информации
Качественные характеристики информации
Возможность и эффективность использования информации обусловливаются такими основными ее потребительскими показателями качества, как репрезентативность, содержательность, достаточн
Кодирование текстовой информации
В настоящее время большая часть пользователей при помощи компьютера обрабатывает текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др.
Традиционно, для тог
Кодирование графической информации
Графическую информацию можно представлять в двух формах: аналоговой или дискретной. Живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно - это при
Растровое изображение
При помощи увеличительного стекла можно увидеть, что черно-белое графическое изображение, например из газеты, состоит из мельчайших точек, составляющих определенный узор - растр. Во Франции в 19 ве
Модель CMYK
В основе этой модели лежит субтрактивное цветовоспроизведение (характерное для отражающих объектов). Каждому из основных цветов ставится в соответствие дополнительный цвет (дополняющий основной до
Графические режимы
Различают несколько режимов представления цветной графики:
· полноцветный (True Color) - для кодирования яркости каждой из составляющих используют по 256 значений (восемь двоичных разрядов
Векторное и фрактальное изображения
Векторное изображение - это графический объект, состоящий из элементарных отрезков и дуг. Базовым элементом изображения является линия. Как и любой объект, она обладает
Кодирование звуковой информации
На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту где-то в пределах от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц - 1 колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых л
Цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование звуковой информации
Звуковые волны при помощи микрофона превращаются в аналоговый переменный электрический сигнал. Он попадает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - устройство, которое переводит сигнал в цифровую
Параметры семплирования
Частота - количество измерений амплитуды аналогового сигнала в секунду.
Если частота семплирования не будет более чем в два раза превышать частоту верхней грани
Сжатие информации
Кодирование делится на три большие группы - сжатие (эффективные коды), помехоустойчивое кодирование и криптография.
Коды, предназначенные для сжатия информации, делятся, в свою очередь, на
Сжатие без потерь
Один из самых простых способов сжатия информации – групповое кодирование. В соответствии с этой схемой серии повторяющихся величин (например, число) заменяются единственной величин
Сжатие с потерей информации
используется для упаковки графических изображений. Этот метод основан на особенности человеческого восприятия изображений. Для человеческого глаза яркость более существенна, чем информация о цветов
Информационные революции
В истории развития цивилизации произошло несколько информационных революций - преобразований общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации. Следствием этих преобр
Понятие информационной системы
Под системой понимают любой объект, который одновременно рассматривается и как единое целое, и как объединённая в интересах достижения поставленных целей совокупность разнородных элементов. Системы
Этапы развития информационных систем
История развития информационных систем и цели их использования на разных периодах представлены в таблице 1:
Таблица 1. Изменение подхода к использованию информационных систем
Процессы в ИС
Процессы, обеспечивающие работу ИС любого значения, условно можно представить в виде схемы.
ИС состоит из блоков:
· ввод информации из внешних или внутренних источников;
Структура информационной системы
Общую структуру ИС можно рассматривать как совокупность подсистем независимо от сферы применения. Таким образом, структура любой ИС может быть представлена следующим образом.
Устаревание ИТ
Для ИТ является вполне естественным то, что они устаревают и заменяются новым.
Пример. На смену технологии пакетной обработки программ на большой ЭВМ в вычислительном центре пришла техноло
Методология использования ИТ
Централизованная обработка информации на ЭВМ вычислительных центров была первой исторически сложившейся технологией. Создавались крупные вычислительные центры (ВЦ) коллективного использовани
Система команд некоторой ЭВМ – это совокупность команд, которую может выполнить данная ЭВМ
Последовательность команд, предложенную ЭВМ для исполнения, называют программой.
Несмотря на разнообразие современных ЭВМ, их структура основана на общих логических
Основные блоки ПК и их значение
Рис. Структурная схема персонального компьютера
Микропроцессор (МП). Это центральны
Шины расширений
Шина ISA (Industry Standard Architecture–архитектура промышленного стандарта) – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая частота 16 МГц, но мож
Локальные шины
Локальные шины подключаются непосредственно к шине МП, работают на тактовой частоте МП и обеспечивают связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памя
Назначение и типы МП
МП выполняет следующие функции:
· чтение и дешифрацию команд из ОП;
· чтение данных из ОП и регистров адаптеров ВУ;
· прием и обработку запросов и команд от адаптеров на
Структура МП
Микропроцессоры состоят из двух частей:
· операционной, содержащей УУ, АЛУ и МППС, за исключением нескольких адресных регистров;
· интерфейсной, содержащей адресные регистры МПП,
Кэш-память
Кэш-память – высокоскоростная память, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш–памяти недоступны для пользователя; отсюда и название «кэш»
Физическая структура ОП
ОП содержит RAM и ROM, т. е. ОЗУ и ПЗУ.
ОЗУ предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей на текущем этапе функционирования ПК.
Логическая структура ОП
Распределение одномегабайтовой области ОЗУ приведено на рис. 3.4. Логическая структура всей ОП показана на рис. 3.5. Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный (отличный от всех других) адрес.
Дисковые накопители внешней памяти
Устройства памяти на дисках относятся к устройствам с прямым доступом. Быстрый доступ к любой части диска обеспечивается:
· быстрым вращением диска (гибкий – около 300 об/мин, жесткий – ок
Видеотерминальные устройства
Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера (адаптера). Видеоконтроллеры входят в состав системного блока ПК (находятся на видеокарте, устанавливаемой в разъем материнской п
Принтеры
Принтеры (печатающие устройства) - это устройства вывода данных из ЭВМ, преобразующие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы (буквы, цифры, знаки и т.п.) и фиксирующие э
Сканеры
Сканер - это устройство ввода в ЭВМ информации непосредственно с бумажного документа. Можно вводить тексты, схемы, рисунки, графики, фотографии и другую графическую информацию.
Сканеры вес
СуперЭВМ
К суперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду.
Типовая модель суперЭВМ 2000 г имеет
Переносные компьютеры
Переносные компьютеры - быстроразвивающийся подкласс персональных компьютеров. По прогнозу специалистов, в 1998 г. более 50% пользователей будут использовать именно переносные машины, а к
Процесс передачи информации
Любая коммуникационная сеть должна включать следующие компоненты: передатчик, средства передачи, приемник.
Передатчик – устройство, являющееся источником данных.
Формы взаимодействия абонентских ЭВМ
Существуют следующие основные формы взаимодействия абонентских ЭВМ.
1. Терминал-удаленный процесс – предусматривает обращение с терминала одной из абонентских ЭВМ к процес
Модель взаимодействия открытых систем
Многообразие производителей ВС сетей и сетевого ПО породило проблему объединения сетей различных архитектур. Для этого была разработана модель архитектуры открытых систем.
Открытая
Локальные вычислительные сети
Основное назначение любой компьютерной сети - представление информационных и вычислительных ресурсов подключенным к ней пользователям.
С этой точки зрения ЛВС можно рассматривает как совок
Основные топологии ЛВС
Топология ЛВС – это усредненная геометрическая схема соединений узлов сети.
ВС можно рассматривать как совокупность узлов – устройств, непосредственно подключенных к перед
Физическая передающая среда ЛВС
Физическая передающая среда ЛВС может быть представлена тремя типами.
1. Витая пара. Состоит из двух изолированных проводов, свитых между собой. Скручивание проводов уменьшает влияние внеш
Методы доступа к передающей среде
Метод доступа к передающей среде – метод, обеспечивающий выполнение совокупности правил, в соответствии с которыми узлы сети получают доступ к ресурсу сети.
Существуют два основных класса
Способы объединения ЛВС
Причины применения различных способов объединения ЛВС следующие: исчерпаны технические возможности ЛВС, нужно создать еще одну ЛВС, подключив новых пользователей и объединив ее с уже существующей Л
Глобальная сеть Internet
Internet – это сеть, объединяющая отдельные сети. Логическая структура Internet представляет собой некое виртуальное объединение, имеющее свое виртуальное пространство. Основные яч
Системное программное обеспечение
Системное ПО – совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и вычислительных сетей.
Системное ПО направлено:
· на создание операционной среды ф
Инструментарий технологии программирования
Инструментарий технологии программирования обеспечивает процесс разработки программ и включает специализированное ПО, которое является инструментальными средствами разработки. ПО данного класса при
Пакеты прикладных программ
Прикладное ПО служит программным инструментарием для решения функциональных задач и являются самым многочисленным классом ПО. В данный класс входят программные продукты, выполняющие обработку инфор
Защита программного обеспечения
Защита ПО преследует следующие цели:
· ограничение несанкционированного доступа к программам или их преднамеренное разрушение и хищение;
· исключение несанкционированного копирова
Сетевым протоколом называется набор правил, позволяющий осуществлять соединение и обмен данными между двумя и более включёнными в сеть компьютерами.Фактически разные протоколы зачастую описывают лишь разные стороны одного типа связи; взятые вместе, они образуют так называемый стек протоколов. Названия <протокол> и <стек протоколов> также указывают на программное обеспечение, которым реализуется протокол
Уровни протоколов
Наиболее распространённой системой классификации сетевых протоколов является так называемая модель OSI. В соответствии с ней протоколы делятся на 7 уровней по своему назначению - от физического (формирование и распознавание электрических или других сигналов) до прикладного (API для передачи информации приложениями):
- Прикладной уровень (Application layer). Верхний (7-й) уровень модели, обеспечивает взаимодействие сети и пользователя. Уровень разрешает приложениям пользователя доступ к сетевым службам, таким как обработчик запросов к базам данных, доступ к файлам, пересылке электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления. Пример: HTTP, POP3, SMTP.
- Уровень представления (Presentation layer). 6-й уровень отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с уровня приложений, он преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. На уровне представления может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.
- Сеансовый уровень (Session layer). 5-й уровень модели отвечает за поддержание сеанса связи, что позволяет приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Сеансовый уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.
- Транспортный уровень (Transport layer). 4-й уровень модели, предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом неважно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Протоколы этого уровня предназначены для взаимодействия типа точка-точка. Пример: TCP, UDP
- Сетевой уровень (Network layer). 3-й уровень сетевой модели OSI, предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор.
- Уровень звена данных (Data Link layer). Часто это уровень называется канальным. Этот уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Данные, полученные с физического уровня, он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня - MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На этом уровне работают коммутаторы, мосты. В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS
- Физический уровень (Physical layer). Самый нижний уровень модели, предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и соответственно их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством. На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы. Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.
В основном используются протокол TCP/IP
Шифрование SSH
Шифрование VPNd
В протоколе IPSec для передачи по туннелю L2TP данные шифруются с помощью алгоритмов DES и 3DES. Эти алгоритмы обеспечивают высокую безопасность данных. Алгоритм Диффи-Хеллмана с открытыми/закрытыми ключами позволяет открыто обмениваться по сети открытыми ключами. При этом безопасность не нарушается, поскольку с помощью открытого ключа можно только шифровать данные, дешифрование без закрытого ключа невозможно.
В программе VPNd, работающей под управлением Linux, используется алгоритм шифрования Blowfish. В этом 64-битовом алгоритме используются ключи разной длины - от 32 до 448 бит. Алгоритм обладает высоким быстродействием. Программа VPNd распространяется бесплатно, и доступен ее исходный код. Существует несколько вариантов программы VPNd, включая GOLDFISH, DOSFISH и TWOFISH.
В SSH для UNIX используются шифры с открытыми/закрытыми ключами, которые подробно рассматриваются в лекции 14, "Защита сети".
Для коммуникации клиента и сервера VPN необходимо установить общий стек сетевых/транспортных протоколов. Им может быть TCP/IP, однако это не обязательно. Даже при использовании РРТР, в котором для создания туннеля в публичной сети необходим IP, в частной сети можно использовать IPX/SPX или даже NetBEUI.
10.5 Безопасность VPN
Безопасность VPN обеспечивают следующие процедуры:
Шифрование.
Такая многоуровневая система мер безопасности обеспечивает высокую конфиденциальность данных, передаваемых по VPN. Рассмотрим каждый из этих компонентов безопасности.
Аутентификация
Аутентификация клиента VPN предполагает проверку идентичности компьютера и пользователя, инициирующих соединение VPN. Аутентификация может выполняться на уровне компьютеров. Например, если в сети VPN на основе Windows 2000 для создания соединения VPN L2TP используется IPSec, то выполняется обмен сертификатами компьютеров.
Как показано в лекции 15, "Удаленный доступ", аутентификация пользователей может выполняться с помощью одного из нескольких методов, среди которых ЕАР (Extensible Authentication Protocol), CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol), MS-CHAP (Microsoft CHAP), PAP (Password Authentication Protocol) или SPAP (Shiva PAP).
Этот термин означает ограничение числа пользователей, которым предоставляется доступ в VPN соответственно принятой стратегии безопасности. Стратегия безопасности определяет, кто из пользователей может получать доступ в VPN, а кому в доступе должно быть отказано.
Шифрование
Для защиты данных VPN используются различные технологии шифрования. Многие реализации VPN позволяют выбирать метод шифрования. Шифрование обеспечивает безопасность данных, передаваемых по VPN. Незашифрованные данные уязвимы для перехвата злоумышленниками в процессе их передачи по публичной сети.
10.6 Производительность VPN
Факторы, влияющие на производительность VPN, можно разбить на две категории: общие и специфические для конкретных реализации VPN.
Более всего на производительность VPN влияет природа самой Internet. Известны многочисленные случаи выхода из строя региональных участков. Интенсивные потоки данных (как, например, при известных событиях 11 сентября 2001 года) могут вызвать существенное снижение производительности каналов. Кроме того, вследствие чрезмерной загрузки иногда закрываются серверы провайдеров, что затрагивает сотни или даже тысячи пользователей.
Использование VPN приводит к увеличению количества передаваемых служебных сигналов, что также уменьшает производительность сетей. Сети VPN на уровне каналов обладают значительно меньшей производительностью, чем на уровне сетей. Если для установки соединения VPN используется публичная сеть, то теряются многие элементы управления, доступные при использовании непосредственного коммутируемого соединения.
10.7 Типы VPN
Сеть VPN может быть реализована как программно, так и аппаратно. Рассмотрим кратко обе реализации, то, чем они отличаются и как их можно сочетать в целях повышения безопасности.
Программные реализации VPN
В программных VPN используются рассмотренные в предыдущих разделах этой лекции протоколы туннелирования. Эту категорию сетей можно разбить на два типа: сети на основе программного обеспечения независимых поставщиков и на основе программных средств, встроенных в операционные системы. Очевидным преимуществом последних является меньшая стоимость. Ничего не нужно покупать дополнительно, а средства создания VPN, включенные в современные операционные системы, такие, как Windows 2000, оказываются достаточными для решения большинства задач.
Примерами программ VPN независимых поставщиков служат Safeguard VPN, Checkpoint SVN (Secure Virtual Networking) и NetMAX VPN Suite для Linux.
Аппаратные реализации VPN
Оборудование VPN выпускается компаниями Shiva, 3Com и VPNet Technologies. Средства поддержки VPN встроены как в маршрутизаторы Cisco, так и в маршрутизаторы других компаний. Компания NTS поставляет программу TunnelBuilder, являющуюся средством безопасной коммуникации VPN для Windows, NetWare и Macintosh. Поставщики брандмауэров, такие, как Raptor Systems, предоставляют средства создания VPN на основе брандмауэ;ров, оснащенных дополнительными средствами безопасности.
Сети VPN на основе оборудования можно разбить на две категории.
На основе маршрутизаторов. Основой этих VPN являются маршрутизаторы с встроенными средствами шифрования. Они обладают самой высокой сетевой производительностью, к тому же их обычно легко устанавливать и использовать.
На основе брандмауэров. Сети VPN этого типа обычно содержат дополнительные средства безопасности, такие, как усиленная аутентификация и детализированная регистрация. В этих VPN может выполняться трансляция адресов. Недостатком VPN на основе брандмауэров является пониженная производительность, однако применение в некоторых реализациях процессоров, разработанных специально для шифрования, решает эту проблему.
10.8 Резюме
В этой лекции рассмотрены основные понятия виртуальных частных сетей в их различных формах. Вы узнали, что VPN позволяют устанавливать безопасные соединения с удаленной частной сетью путем туннелирования, т.е. создания туннеля в Internet или другой публичной сети. Рассмотрены способы реализации VPN посредством коммутируемого соединения и методом "маршрутизатор - маршрутизатор".
Вы узнали, что туннелирование может выполняться на разных уровнях модели OSI. Рассмотрено туннелирование на уровне 2 с помощью протоколов РРТР и L2TP и туннелирование на уровне 3 с помощью протокола IPSec. Все современные операционные системы содержат встроенные средства создания соединений VPN, однако для этого можно использовать также программные продукты сторонних поставщиков.
Показаны финансовые преимущества использования VPN, описаны протоколы создания VPN и распространенные локальные протоколы, используемые для коммуникации клиентов и серверов VPN.
Рассмотрены различные вопросы безопасности VPN и три главных компонента обеспечения безопасности - аутентификация, авторизация и шифрование, а также производительность VPN и два базовых типа VPN - аппаратный и программный.
Документация программы Linux mini-HOWTO, в которой приведено подробное описание установки VPN на основе SSH/PPP, находится по адресу: http://sunsite.unc.edu/LDP/HOWTO/mini/VPN.htmi.
Подробная информация о программах TunnelBuilder и TunnelMaster компании NTS приведена по адресу: www.nts.com/products/index.html.
Сжатый отчет по виртуальным частным сетям можно найти по адресу: www.corecom.ccm/html/vpn.html.
3.1.1. Общая характеристика протоколов локальных сетей
При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится протоколу канального уровня. Однако для того, чтобы канальный уровень мог справиться с этой задачей, структура локальных сетей должна быть вполне определенной, так, например, наиболее популярный протокол канального уровня – Ethernet – рассчитан на параллельное подключение всех узлов сети к общей для них шине – отрезку коаксиального кабеля или иерархической древовидной структуре сегментов, образованных повторителями. Протокол Token Ring также рассчитан на вполне определенную конфигурацию – соединение компьютеров в виде логического кольца.
Подобный подход, заключающийся в использовании простых структур кабельных соединений между компьютерами локальной сети, соответствовал основной цели, которую ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во второй половине 70-х годов. Эта цель заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания. Решение должно было быть недорогим, поскольку в сеть объединялись недорогие компьютеры – появившиеся и быстро распространившиеся тогда мини-компьютеры стоимостью в 10 000-20 000 долларов. Количество их в одной организации было небольшим, поэтому предел в несколько десятков (максимум – до сотни) компьютеров представлялся вполне достаточным для роста практически любой локальной сети.
Для упрощения и, соответственно, удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании кабелей всеми компьютерами сети в режиме разделения времени, то есть режиме TDM. Наиболее явным образом режим совместного использования кабеля проявляется в классических сетях Ethernet, где коаксиальный кабель физически представляет собой неделимый отрезок кабеля, общий для всех узлов сети. Но и в сетях Token Ring и FDDI, где каждая соседняя пара компьютеров соединена, казалось бы, своими индивидуальными отрезками кабеля с концентратором, эти отрезки не могут использоваться компьютерами, которые непосредственно к ним подключены, в произвольный момент времени. Эти отрезки образуют логическое кольцо, доступ к которому как к единому целому может быть получен только по вполне определенному алгоритму, в котором участвуют все компьютеры сети. Использование кольца как общего разделяемого ресурса упрощает алгоритмы передачи по нему кадров, так как в каждый конкретный момент времени кольцо занято только одним компьютером.
Использование разделяемых сред (shared media) позволяет упростить логику работы сети. Например, отпадает необходимость контроля переполнения узлов сети кадрами от многих станций, решивших одновременно обменяться информацией. В глобальных сетях, где отрезки кабелей, соединяющих отдельные узлы, не рассматриваются как общий ресурс, такая необходимость возникает, и для решения этой проблемы в протоколы обмена информацией вводятся весьма сложные процедуры управления потоком кадров, предотвращающие переполнение каналов связи и узлов сети.
Использование в локальных сетях очень простых конфигураций (общая шина и кольцо) наряду с положительными имело и отрицательные последствия, из которых наиболее неприятными были ограничения по производительности и надежности. Наличие только одного пути передачи информации, разделяемого всеми узлами сети, в принципе ограничивало пропускную способность сети пропускной способностью этого пути (которая делилась в среднем на число компьютеров сети), а надежность сети – надежностью этого пути. Поэтому по мере повышения популярности локальных сетей и расширения их сфер применения все больше стали применяться специальные коммуникационные устройства – мосты и маршрутизаторы, – которые в значительной мере снимали ограничения единственной разделяемой среды передачи данных. Базовые конфигурации в форме общей шины и кольца превратились в элементарные структуры локальных сетей, которые можно теперь соединять друг с другом более сложным образом, образуя параллельные основные или резервные пути между узлами.
Тем не менее внутри базовых структур по-прежнему работают все те же протоколы разделяемых единственных сред передачи данных, которые были разработаны более 15 лет назад. Это связано с тем, что хорошие скоростные и надежностные характеристики кабелей локальных сетей удовлетворяли в течение всех этих лет пользователей небольших компьютерных сетей, которые могли построить сеть без больших затрат только с помощью сетевых адаптеров и кабеля. К тому же колоссальная инсталляционная база оборудования и программного обеспечения для технологий Ethernet и Token Ring способствовала тому, что сложился следующий подход: в пределах небольших сегментов используются старые протоколы в их неизменном виде, а объединение таких сегментов в общую сеть происходит с помощью дополнительного и достаточно сложного оборудования.
В последние несколько лет наметилось движение к отказу от разделяемых сред передачи данных в локальных сетях и переходу к применению активных коммутаторов, к которым конечные узлы присоединяются индивидуальными линиями связи. В чистом виде такой подход предлагается в технологии АТМ (Asynchronous Transfer Mode), а в технологиях, носящих традиционные названия с приставкой switched (коммутируемый): switched Ethernet, switched Token Ring, switched FDDI, обычно используется смешанный подход, сочетающий разделяемые и индивидуальные среды передачи данных. Чаще всего конечные узлы соединяются в небольшие разделяемые сегменты с помощью повторителей, а сегменты соединяются друг с другом с помощью индивидуальных коммутируемых связей.
Существует и достаточно заметная тенденция к использованию в традиционных технологиях так называемой микросегментации, когда даже конечные узлы сразу соединяются с коммутатором индивидуальными каналами. Такие сети получаются дороже разделяемых или смешанных, но производительность их выше.
При использовании коммутаторов у традиционных технологий появился новый режим работы – полнодуплексный (full-duplex). В разделяемом сегменте станции всегда работают в полудуплексном режиме (half-duplex), так как в каждый момент времени сетевой адаптер станции либо передает свои данные, либо принимает чужие, но никогда не делает это одновременно. Это справедливо для всех технологий локальных сетей, так как разделяемые среды поддерживаются не только классическими технологиями локальных сетей Ethernet, Token Ring, FDDI, но и всеми новыми – Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet.
В полнодуплексном режиме сетевой адаптер может одновременно передавать свои данные в сеть и принимать из сети чужие данные. Такой режим несложно обеспечивается при прямом соединение с мостом/коммутатором или маршрутизатором, так как вход и выход каждого порта такого устройства работают независимо друг от друга, каждый со своим буфером кадров.
Сегодня каждая технология локальных сетей приспособлена для работы как в полудуплексном, так и полнодуплексном режимах. В этих режимах ограничения, накладываемые на общую длину сети, существенно отличаются, так что одна и та же технология может позволять строить весьма различные сети в зависимости от выбранного режима работы (который зависит от того, какие устройства используются для соединения узлов – повторители или коммутаторы). Например, технология Fast Ethernet позволяет для полудуплексного режима строить сети диаметром не более 200 метров, а для полнодуплексного режима ограничений на диаметр сети не существует. Поэтому при сравнении различных технологий необходимо обязательно принимать во внимание возможность их работы в двух режимах. В данной главе изучается в основном полудуплексный режим работы протоколов, а полнодуплексный режим рассматривается в следующей главе, совместно с изучением коммутаторов.
Несмотря на появление новых технологий, классические протоколы локальных сетей Ethernet и Token Ring по прогнозам специалистов будут повсеместно использоваться еще по крайней мере лет 5-10, в связи с чем знание их деталей необходимо для успешного применения современной коммуникационной аппаратуры. Кроме того, некоторые современные высокопроизводительные технологии, такие как Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, в значительной степени сохраняют преемственность со своими предшественниками. Это еще раз подтверждает важность изучения классических протоколов локальных сетей, естественно, наряду с изучением новых технологий.
3.1.2. Структура стандартов IEEE 802.X
В 1980 году в институте IEEE был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802-х, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Позже результаты работы этого комитета легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1…5. Эти стандарты были созданы на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring.
Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мб/с. Работы по стандартизации протоколов ведутся также ассоциацией ЕСМА, которой приняты стандарты ЕСМА-80, 81, 82 для локальной сети типа Ethernet и впоследствии стандарты ЕСМА-89,90 по методу передачи маркера.
Стандарты семейства IEEE 802.X охватывают только два нижних уровня семи-уровневой модели OSI – физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты как для локальных, так и для глобальных сетей.
Специфика локальных сетей также нашла свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня, которые часто называют также уровнями. Канальный уровень (Data Link Layer) делится в локальных сетях на два подуровня:
· логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);
· управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).
Уровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. После того как доступ к среде получен, ею может пользоваться более высокий уровень – уровень LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уровнем качества транспортных услуг. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, l00VG-AnyLAN.
Уровень LLC отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через уровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На уровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня.
Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы – каждый протокол уровня MAC может применяться с любым протоколом уровня LLC, и наоборот.
Стандарты IEEE 802 имеют достаточно четкую структуру, приведенную на рис. 3.1:
Рис. 3.1. Структура стандартов IEEE 802.X
Эта структура появилась в результате большой работы, проведенной комитетом 802 по выделению в разных фирменных технологиях общих подходов и общих функций, а также согласованию стилей их описания. В результате канальный уровень был разделен на два упомянутых подуровня. Описание каждой технологии разделено на две части: описание уровня MAC и описание физического уровня. Как видно из рисунка, практически у каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствует несколько вариантов протоколов физического уровня (на рисунке в целях экономии места приведены только технологии Ethernet и Token Ring, но все сказанное справедливо также и для остальных технологий, таких как ArcNet, FDDI, l00VG-AnyLAN).
Над канальным уровнем всех технологий изображен общий для них протокол LLC, поддерживающий несколько режимов работы, но независимый от выбора конкретной технологии. Стандарт LLC курирует подкомитет 802.2. Даже технологии, стандартизованные не в рамках комитета 802, ориентируются на использование протокола LLC, определенного стандартом 802.2, например протокол FDDI, стандартизованный ANSI.
Особняком стоят стандарты, разрабатываемые подкомитетом 802.1. Эти стандарты носят общий для всех технологий характер. В подкомитете 802.1 были разработаны общие определения локальных сетей и их свойств, определена связь трех уровней модели IEEE 802 с моделью OSI. Но наиболее практически важными являются стандарты 802.1, которые описывают взаимодействие между собой различных технологий, а также стандарты по построению более сложных сетей на основе базовых топологий. Эта группа стандартов носит общее название стандартов межсетевого взаимодействия (internetworking). Сюда входят такие важные стандарты, как стандарт 802. ID, описывающий логику работы моста/коммутатора, стандарт 802.1Н, определяющий работу транслирующего моста, который может без маршрутизатора объединять сети Ethernet и FDDI, Ethernet и Token Ring и т. п. Сегодня набор стандартов, разработанных подкомитетом 802.1, продолжает расти. Например, недавно он пополнился важным стандартом 802.1Q, определяющим способ построения виртуальных локальных сетей VLAN в сетях на основе коммутаторов.
Стандарты 802.3,802.4,802.5 и 802.12 описывают технологии локальных сетей, которые появились в результате улучшений фирменных технологий, легших в их основу. Так, основу стандарта 802.3 составила технология Ethernet, разработанная компаниями Digital, Intel и Xerox (или Ethernet DIX), стандарт 802.4 появился | как обобщение технологии ArcNet компании Datapoint Corporation, а стандарт 802.5 в основном соответствует технологии Token Ring компании IBM.
Исходные фирменные технологии и их модифицированные варианты – стандарты 802.х в ряде случаев долгие годы существовали параллельно. Например, технология ArcNet так до конца не была приведена в соответствие со стандартом 802.4 (теперь это делать поздно, так как где-то примерно с 1993 года производство оборудования ArcNet было свернуто). Расхождения между технологией Token Ring и стандартом 802.5 тоже периодически возникают, так как компания IBM регулярно вносит усовершенствования в свою технологию и комитет 802.5 отражает эти усовершенствования в стандарте с некоторым запозданием. Исключение составляет технология Ethernet. Последний фирменный стандарт Ethernet DIX был принят в 1980 году, и с тех пор никто больше не предпринимал попыток фирменного развития Ethernet. Все новшества в семействе технологий Ethernet вносятся только в результате принятия открытых стандартов комитетом 802.3.
Более поздние стандарты изначально разрабатывались не одной компанией, а группой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствующий подкомитет IEEE 802 для утверждения. Так произошло с технологиями Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet. Группа заинтересованных компаний образовывала сначала небольшое объединение, а затем по мере развития работ к нему присоединялись другие компании, так что процесс принятия стандарта носил открытый характер.
Сегодня комитет 802 включает следующий ряд подкомитетов, в который входят как уже упомянутые, так и некоторые другие:
· 802.1 – Internetworking – объединение сетей;
· 802.2 – Logical Link Control, LLC – управление логической передачей данных;
· 802.3 – Ethernet с методом доступа CSMA/CD;
· 802.4 – Token Bus LAN – локальные сети с методом доступа Token Bus;
· 802.5 – Token Ring LAN – локальные сети с методом доступа Token Ring;
· 802.6 – Metropolitan Area Network, MAN – сети мегаполисов;
· 802.7 – Broadband Technical Advisory Group – техническая консультационная группа по широкополосной передаче;
· 802,8 – Fiber Optic Technical Advisory Group – техническая консультационная группа по волоконно-оптическим сетям;
· 802.9 – Integrated Voice and data Networks – интегрированные сети передачи голоса и данных;
· 802.10 – Network Security – сетевая безопасность;
· 802.11 – Wireless Networks – беспроводные сети;
· 802.12 – Demand Priority Access LAN, l00VG-AnyLAN – локальные сети с методом доступа по требованию с приоритетами.
Выводы
· При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится классическим технологиям Ethernet, Token Ring, FDDI, разработанным более 15 лет назад и основанным на использовании разделяемых сред.
· Разделяемые среды поддерживаются не только классическими технологиями локальных сетей Ethernet, Token Ring, FDDI, но и новыми – Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet.
· Современной тенденцией является частичный или полный отказ от разделяемых сред: соединение узлов индивидуальными связями (например, в технологии АТМ), широкое использование коммутируемых связей и микросегментации. Еще одна важная тенденция – появление полнодуплексного режима работы практически для всех технологий локальных сетей.
· Комитет IEEE 802.X разрабатывает стандарты, которые содержат рекомендации для проектирования нижних уровней локальных сетей – физического и канального. Специфика локальных сетей нашла свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня – LLC и MAC.
· Стандарты подкомитета 802.1 носят общий для всех технологий характер и постоянно пополняются. Наряду с определением локальных сетей и их свойств, стандартами межсетевого взаимодействия, описанием логики работы моста/коммутатора к результатам работы комитета относится и стандартизация сравнительно новой технологии виртуальных локальных сетей VLAN.
· Подкомитет 802.2 разработал и поддерживает стандарт LLC. Стандарты 802.3, 802.4,802.5 описывают технологии локальных сетей, которые появились в результате улучшений фирменных технологий, легших в их основу, соответственно Ethernet, ArcNet, Token Ring.
· Более поздние стандарты изначально разрабатывались не одной компанией, а группой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствующий подкомитет IEEE 802 для утверждения.
