Кафедра проектирования компьютерных систем

Санкт-Петербургский государственный Санкт-Петербургский государственный университетуниверситет

информационных технологий, механики и информационных технологий, механики и оптикиоптики

В. В. А. А. КозакКозак

Вычислительные сетиВычислительные сети

Лекция 1Лекция 1

Общие принципы построения Общие принципы построения вычислительных сетейвычислительных сетей

Санкт-Петербург, 2009

Содержание курса

Рекомендуемая литература

• Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд. — СПб.: Питер, 2006. — 958 с.

• Таненбаум Э. Компьютерные сети. 4-е изд. – СПб.: Питер, 2006. – 992 с.

• Томаси У. Электронные системы связи — М.: Техносфера, 2007. — 1360 с.

Рекомендуемые ресурсы интернет:• http://book.itep.ru/1/intro1.htm• http://www.citforum.ru/nets/• http://www.intuit.ru/catalog/network/• http://lanhelper.ru/

Эволюция вычислительных систем

• Системы пакетной обработки. Строились на базе мэйнфрейма - мощного и надежного компьютера универсального назначения.

• Многотерминальные системы - прообраз сети. Пользователь получал в свое распоряжение терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером.

• Появление глобальных сетей. Назрела задача доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на большие расстояния. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал-компьютер были реализованы и удаленные связи типа компьютер-компьютер.

• Первые локальные сети. С появлением БИС стало выгодней использовать несколько мини-компьютеров вместо одного мэйнфрейма.

• Создание стандартных технологий локальных сетей. С распространением персональных компьютеров утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть - Ethernet, Arcnet, Token Ring и т.д.

• Современные тенденции. Сокращение разрыва между локальными и глобальными сетями, конвергенция (объединение) сетей телефонии и данных.

• Цели на будущее: слияния технологий не только локальных и глобальных сетей, но и технологий любых информационных сетей - вычислительных, телефонных, телевизионных и т. п.

Многоуровневый подход

Организация сетевого взаимодействия очень сложная задача, для решения которой используется универсальный прием - декомпозиция, то есть разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач -модулей.

Многоуровневый подход:• все множество модулей разбивают на группы и упорядочивают по

уровням, образующим иерархию;• модули одного уровня для выполнения своих задач обращаются с

запросами только к модулям непосредственно примыкающего нижележащего уровня;

• работает принцип инкапсюляции – уровень предоставляет сервис, скрывая детали его реализации.

Интерфейсы, протоколы, стеки протоколов

• интерфейс - набор функций, выполняемых некоторым уровнем для вышележащего уровня, а также форматы сообщений, которыми обмениваются два соседних уровня в ходе своего взаимодействия. Интерфейс определяет совокупный сервис, предоставляемый данным уровнем выше лежащему уровню;

• протокол - формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах;

• стек протоколов - Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации межсетевого взаимодействия.

Открытая система

• открытая система - любая система (компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями;

• спецификация - формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик;

• открытая спецификация - опубликованная, общедоступная спецификация, соответствующая стандартам и принятая в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами.

Преимущества построения сетей с соблюдением принципов открытости:• возможность построения сети из аппаратных и программных средств

различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта; • возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети другими,

более совершенными, что позволяет сети развиваться с минимальными затратами;

• возможность легкого сопряжения одной сети с другой; • простота освоения и обслуживания сети.

Ярким примером открытой системы является международная сеть Internet

Источники стандартов

Виды стандартов: • стандарты отдельных фирм (например, стек протоколов DECnet фирмы

Digital Equipment или графический интерфейс OPEN LOOK для Unix-систем фирмы SUN),

• стандарты специальных комитетов и объединений, создаваемых несколькими фирмами (например, стандарты технологии ATM, разрабатываемые специально созданным объединением ATM Forum, насчитывающем около 100 коллективных участников, или стандарты союза Fast Ethernet Alliance по разработке стандартов 100 Мб Ethernet),

• стандарты национальных организаций по стандартизации, (например, стандарт FDDI, представляющий один из многочисленных стандартов, разработанных американским национальным институтом стандартов ANSI, или стандарты безопасности для операционных систем, разработанные Национальным центром защиты компьютеров (NCSC) министерства обороны США),

• международные стандарты (например, модель и стек коммуникационных протоколов ISO, многочисленные стандарты Международного союза электросвязи (ITU), в том числе стандарты на сети с коммутацией пакетов X.25, сети frame relay, ISDN, модемы и многие другие).

Источники стандартов 2

Организации, наиболее активно и занимающихся разработкой стандартов в области вычислительных сетей:

• Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization - ISO).;

• Международный союз электросвязи (International Telecommunication Union, ITU). Особенно действующий комитет этой организации Consultative Commitete for International Telephony and Telegraphy (CCITT) или Международный Консультативный Комитет по Телефонии и Телеграфии (МККТТ). В результате проведенной в 1993 году реорганизации ITU, CCITT несколько изменил направление своей деятельности и сменил название - теперь он называется ITU-T;

• Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике - Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE);

• Европейская ассоциация производителей компьютеров (ECMA);• Ассоциация электронной промышленности (Electronic Industries

Association, EIA);• Министерство обороны США (Department of Defense - DoD);• Стандартизацией локальных сетей крупных ЭВМ занимается комитет

X3T9.5 Американского национального института стандартов (American National Standards Institute, ANSI), а также фирма IBM (архитектура сетей SNA).

Модель ISO/OSI

• Международная Организация по Стандартам (International Standards Organization, ISO) разработала модель, которая четко определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какую работу должен делать каждый уровень. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или моделью ISO/OSI.

• Таким образом, проблема взаимодействия декомпозирована на 7 частных проблем, каждая из которых может быть решена независимо от других.

• Каждый уровень поддерживает интерфейсы с выше- и нижележащими уровнями.

Физический уровень (Physical layer)

• Интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством (передает электрические или оптические сигналы в кабель или радиоэфир, принимает их и преобразует в биты данных).

• На этом уровне стандартизируются типы разъемов и назначение контактов.

• Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети.

• Работают: концентраторы, ретрансляторы.• Примеры сетевых интерфейсов, относящихся к

физическому уровню: V.35, RS-232C, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и ВNС.

Канальный уровень (Data Link layer)

• Обеспечение интерфейса для сетевого уровня;• Организация доступа к среде передачи;• Обработка ошибок передачи данных;• Управление потоком данных, исключающее затопление

медленных приемников быстрыми передатчиками;• Определяет структуру связей между узлами и способы

их адресации;• Оперирует не битами, а блоками данных – кадрами;• Оборудование, работающее на канальном уровне:

коммутаторы, мосты;• Примеры протоколов, относящихся к канальному

уровню: Ethernet, Token Ring, FDDI, Bluetooth, Wi-Fi, Wi-Max, X.25, Frame Relay, ATM и т.д.

Сетевой уровень (Network layer)

Выполняет функции:– определения пути передачи данных;– трансляции логических адресов и имен в физические;– определения кратчайшего маршрута;– коммутации;– маршрутизации;– отслеживания неполадок и заторов в сети.

Решает задачи:– передача сообщений по связям с нестандартной структурой;– согласование разных технологий; – упрощение адресации в крупных сетях;– создание барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

Работает: маршрутизатор.Виды протоколов сетевого уровня:

– сетевые протоколы (продвижение пакетов через сеть);– протоколы маршрутизации;– протоколы разрешения адресов.

Транспортный уровень (Transport layer)

• Обеспечивает приложениям (или прикладному и сеансовому уровням) передачу данных с требуемой степенью надежности.

• Протоколы предназначены для взаимодействия типа «точка—точка».

• Начиная с данного уровня, протоколы реализуются программными средствами конечных узлов сети — компонентами их сетевых ОС.

• Примеры: протоколы TCP, UDP, SPX.

Сеансовый уровень (Session layer)

• Отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. 

• Уровень управляет: – созданием/завершением сеанса; – обменом информацией;– синхронизацией задач; – определением права на передачу данных;– поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. 

• Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при сбоях.

Уровень представления (Presentation layer)

Отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с уровня приложений, преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. 

Возможно осуществление:• сжатия/распаковки или кодирования/декодирования

данных;• перенаправления запросов другому сетевому

ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.

Пример: протокол SSL (обеспечивает секретных обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня TCP/IP).

Прикладной уровень (Application layer)

• Является набором разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, организуют совместную работу.

• Обеспечивает взаимодействие сети и пользователя.• Разрешает приложениям пользователя иметь доступ

к сетевым службам, таким как обработчик запросов к базам данных, доступ к файлам, пересылке электронной почты.

• Отвечает за передачу служебной информации.• Предоставляет приложениям информацию об

ошибках.• Формирует запросы к уровню представления. • Пример: HTTP, POP3, SMTP.

Сетезависимые и сетенезависимые уровни модели OSI

• Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.

• Три нижних уровня - физический, канальный и сетевой - являются сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети, с используемым коммуникационным оборудованием.

• Три верхних уровня - сеансовый, уровень представления и прикладной - ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети.

Стандартные стеки коммуникационных протоколов

Наиболее популярными являются стеки: TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB, DECnet, SNA и OSI (не путать стек OSI и модель OSI).

Стек OSI

Достоинства:• стек OSI - международный, независимый от производителей стандарт;• стек OSI полностью соответствует модели OSI;• включает спецификации протоколов для всех семи уровней

взаимодействия;• на нижних уровнях стек OSI использует популярные сетевые

технологии: Ethernet, Token Ring, FDDI, протоколы глобальных сетей, Х.25 и ISDN и другие;

• протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровней стека OSI специфицированы и реализованы различными производителями, но распространены  мало;

• довольно удачны и популярны прикладные протоколы: протокол передачи файлов FTAM, протокол эмуляции терминала VTP, протоколы справочной службы Х.500, электронной почты Х.400 и ряд других;

Недостатки:• протоколы стека OSI отличает большая сложность и неоднозначность

спецификаций, т.к. разработчики стремились создать универсальное средство на все случаи жизни;

• из-за своей сложности протоколы OSI требуют больших затрат вычислительной мощности.

Стек TCP/IP

Достоинства:• наиболее популярный на сегодняшний день стек сетевых протоколов;• стек TCP/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США. Сегодня

этот стек используется для связи компьютеров всемирной информационной сети Internet, а также в огромном числе корпоративных сетей;

• Стек TCP/IP на нижнем уровне поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей — это Ethernet, Token Ring, FDDI, для глобальных — протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP, РРР, протоколы территориальных сетей Х.25 и ISDN.

• Основными протоколами стека, давшими ему название, являются протоколы IP и TCP. IP обеспечивает продвижение пакета по составной сети, a TCP гарантирует надежность его доставки.

• Стек TCP/IP вобрал в себя большое количество протоколов прикладного уровня: FTP, telnet, SMTP, HTTP и многие другие.

• Cтек TCP/IP изначально создавался для глобальной сети Internet, в связи с этим:а) способен фрагментировать пакеты;б) имеет гибкую систему адресации; в) экономно использует возможности широковещательных рассылок.

Недостатки: • Мощные функциональные возможности протоколов стека TCP/IP требуют для

своей реализации высоких вычислительных затрат;• Гибкая система адресации и отказ от широковещательных рассылок приводят к

наличию в IP-сети различных централизованных служб типа DNS, DHCP и т. п.

Стек IPX/SPX

• разработан фирмой Novell для сетевой операционной системы NetWare;

• не требует большой вычислительной мощности;• многие особенности стека IPX/SPX обусловлены ориентацией

ранних версий ОС NetWare (до версии 4.0) на работу в локальных сетях небольших размеров. В результате протоколы стека IPX/SPX до недавнего времени хорошо работали в локальных сетях и не очень — в больших корпоративных сетях, так как они слишком перегружали  глобальные связи широковещательными пакетами, которые интенсивно используются несколькими протоколами этого стека (например, для установления связи между клиентами и серверами);

• с выпуском версии NetWare 4.0 Novell внесла и продолжает вносить в свои протоколы серьезные изменения, направленные на адаптацию для работы в корпоративных сетях. Сейчас стек IPX/ SPX реализован не только в NetWare, но и в нескольких других популярных сетевых ОС: SCO UNIX, Sun Solaris, Microsoft Windows NT.

Стек NetBIOS/SMB

• широко используется в продуктах компаний IBM и Microsoft;• на физическом и канальном уровнях этого стека используются

все наиболее распространенные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и другие;

• на верхних уровнях работают протоколы NetBEUI и SMB;• протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output System) появился

в 1984 году как сетевое расширение стандартных функций базовой системы ввода/вывода (BIOS) IBM PC для сетевой программы PC Network фирмы IBM;

• после этот протокол был заменен так называемым протоколом расширенного пользовательского интерфейса NetBEUI — NetBIOS Extended User Interface;

• для обеспечения совместимости приложений в качестве интерфейса к протоколу NetBEUI был сохранен интерфейс NetBIOS;

• протокол SMB (Server Message Block) выполняет функции сеансового, представительного и прикладного уровней. На основе SMB реализуется файловая служба, а также службы печати и передачи сообщений между приложениями.