Файл: Учебное пособие для студентов специальности 220301 Автоматизация технологических процессов и производств.pdf

60
Физический уровень
11010100101011 10011010100111 0100110010111
Кодирование
0101010000101 и передача
01000010101001 битов
00111101010000 110111101I010 0001010 11010010011110
Рис. 6.1 Фрагменты данных, соответствующие модели OSI
Работа различных протоколов должна быть скоординирована так, чтобы исключить конфликты или незаконченные операции.
Этого можно достичь с помощью разбиения на уровни.
6.2 Стеки протоколов – это комбинация протоколов. Каждый уровень определяет различные протоколы для управления функциональными связями или ее подсистемами. Каждому уровню присущ свой набор правил. На рис. 6.2 показана модель OSI и уровни протоколов.
Так же как и уровни в модели OSI, нижние уровни стека описывают правила взаимодействия оборудования, изготовленного разными производителями. А верхние уровни описывают правила проведения сеансов связи и интерпретации приложений. Чем выше уровень, тем сложнее становятся решаемые им задачи и связанные с этими задачами протоколы.
Прикладной у.
Инициация или прием запроса
Представительский у. Добавление в пакет форматирующей, отображающей и шифрующей информации
Сеансовый у.
Добавление информации о трафике с указанием момента отправки пакета
Транспортный у.
Добавление информации для обработки ошибок
Сетевой у.
Добавление адресной информации и информации о месте пакета в последовательности передаваемых пакетов
Канальный у.
Добавление информации для проверки ошибок и подготовка данных для передачи по физическому соединению
Физический у.
Передача пакета как потока битов
Рис. 6.2 Модель OSI и уровни протоколов
Привязка позволяет с достаточной гибкостью настраивать сеть, то есть сочетать протоколы и платы сетевых адаптеров, как того требует ситуация. Например, два стека протоколов IPX/SPX могут быть привязаны к одной плате СА. Если на компьютере более одной
Отформатированная таблица

61
платы СА, то стек протоколов (СП) может быть привязан как к одной, так и нескольким платам СА.
Порядок привязки определяет очередность, с которой ОС выполняет протоколы. Если с одной платой СА связано несколько протоколов, то порядок привязки определяет очередность, с которой будут использоваться протоколы при попытках установить соединение. Обычно привязку выполняют при установке ОС или протокола. Например, если TCP/IP первый протокол в списке привязки, то именно он будет использоваться, при попытке установить связь. Если попытка неудачна, компьютер попытается установить соединение, используя следующий по порядку протокол в списке привязки.
Привязка не ограничивается установкой соответствия стеков протоколов плате СА. СА должен быть привязан к компонентам, уровни которых и выше, и ниже его уровня. Так TCP/IP наверху может быть привязан к Сетевому уровню NetBIOS, а внизу-к драйверу платы СА. Драйвер, в свою очередь, привязан к плате СА.
В компьютерной промышленности в качестве стандартных моделей протоколов разработано несколько стеков. Важные:
• набор протоколов ISO/OSI;
• IBM System Network Architecture (SNA);
• Digital DECnet
TM
;
• Novell NetWare;
• Apple AppleTalk
®
;
• Набор протоколов Интернета TCP/IP.
На рис. 6.3 показано отображение протоколов на модель OSI
Базовая среда IP
Базовая среда IP
Windows. OS/2
Windows. OS/2
NetWare
Уровень приложений
Telnet, FTP,
SMTP,HTTP
SNMP,TFTP,
DNS,BOOTP
SMB
SMB
NCP
:
Уровень предоставления данных
Сеансовый уровень
NetBIOS
NetBEUI
Транспортный уровень
TCP
UDP
UDP/TCP
SPX/SPX
II
Сетевой уровень
IP
IP
IP
IPX
Отформатированная таблица
Отформатированная таблица

62
Канальный уровень
LLC Ethernet, LLC
Token Ring. FDOI,
Региональные сети
LLC Ethernet, LLC
Token Ring, FDDI,
Региональные сети
LLC Ethernet, LLC
Token Ring. FDDI,
Региональные сети
LLC Ethernet, LLC
Token Ring, FDDI,
Региональные сети
LLC Ethernet LLC
Token Ring. FDDI
Региональные сети
Физический уровень
Любой носитель информации
Любой носитель информации
Любой носитель информации
Любой носитель информации
Любой носитель информации
Рис. 6.3 Отображение популярных протоколов на модель OSI
Протоколы этих стеков выполняют работу специфичную для своего уровня. Однако, коммуникационные задачи, которые возложены на сеть, приводят к разделению протоколов на три типа: прикладной; транспортный, сетевой (рис. 6.4).
Прикладной уровень
Представительский уровень
Сетевой уровень
Пользователи услугами сети
Прикладного уровня
Транспортный уровень
Транспортные службы
Сетевой уровень
Канальный уровень
Физический уровень
Сетевые службы
Рис.6.4 Модель OSI и типы протоколов
Прикладные протоколы (ПП) работают на верхнем уровне модели
OSI. Они обеспечивают взаимодействие приложений и обмен данными между ними. К наиболее популярным ПП относятся:
• Telnet – протокол Интернета (И) для регистрации на удаленных хостах и обработки данных на них;
• FTP (File Transfer Protocol) – протокол И для передачи файлов;
• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – протокол И для обмена электронной почтой;
• SNMP (Simple Network Management Protocol) – протокол И для мониторинга сети и сетевых компонентов;
• TFTP (Trivial File Transfer Protocol) – простейший протокол передачи данных для доставки выполняемого файла бездисковой клиентской системе;
• DNS (Domain Name System) – служба централизованного разрешения имен;
• BOOTP (Bootstrap Protocol) – протокол динамической конфигурации хоста;

63
• SMB (Server Message Blocks) – блоки серверных сообщений;
• NCP (Network Control Protocol) – протокол управления сетью с целью определения параметров соединения для каждого из протоколов Сетевого у;
• NetBIOS (Network Basic Input/Output System) – сетевая базовая система ввода вывода
• NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface) – расширенный пользовательский интерфейс сетевой BIOS.
Транспортные протоколы поддерживают сеансы связи между компьютерами и гарантируют надежный обмен данными между ними. К популярным относятся:
• TSP (Transmission Control Protocol – протокол для гарантированной доставки данных, разбитых на последовательность фрагментов;
• SPX – часть набора протоколов IPX/SPX (Interwork Packet
Exchange/Sequential Packet Exchange) – для данных, разбитых на последовательность фрагментов, фирмы Novell;
• NetBEUI – устанавливает сеансы связи между компьютерами
(NetBIOS) и представляет верхним уровням транспортные услуги (NetBEUI);
• ATP (Apple Talk Transaction Protocol), NBP (Name Binding
Protocol) – протоколы сеансов связи и транспортировки данных фирмы Apple.
Сетевые протоколы обеспечивают услуги связи. Эти протоколы управляют несколькими типами данных: адресацией, маршрутизацией, проверкой ошибок и запросами на повторную передачу. Сетевые п., кроме того, определяют правила для осуществления связи в конкретных сетевых средах, например,
Ethernet или Token Ring. К популярным относятся:
• IP (Internet Protocol) – протокол для передачи пакетов;
• IPX (Internet work Packet Exchange) – протокол фирмы NetWare для передачи и маркировки пакетов;
• DDP (Datagram Delivery Protocol) – Apple Talk протокол для транспортировки данных.
Вопросы для самопроверки:

1.Что такое протокол и его особенности?
2.Работа протоколов

3.Что такое стеки протоколов?
4.Три типа протоколов и их услуги.

64 7 СЕТЕВЫЕ АРХИТЕКТУРЫ
7.1 ETHERNET
7.2 Кадр ETHERNET
7.3 Стандарты IEEE
Ключевые слова: сетевые архитектуры, трафик, передача, метод доступа, кадр, адрес.
Понятие сетевые архитектуры (СА) включает общую структуру сети, т.е. все компоненты, благодаря которым сеть функционирует, в том числе аппаратные средства и системное программное обеспечение.
Наиболее часто используемые архитектуры:Ethernet, Token Ring, Arc Net.
7.1 ETHERNET – самая популярная сетевая архитектура. Она использует узкополосную передачу со скоростью 10 Мбит/с, топологию "шина", а для регулирования трафика в основном сегменте кабеля CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) - метод доступа, используемый в топологиях "шина" и "звезда". Алгоритм множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий приведен на рис.7.1.
Рабочие станции "прослушивают" канал передачи данных, чтобы определить, не осуществляет ли уже другая станция передачу кадра данных. Если ни одна из станций не передает, "слушающая станция" посылает свои данные. Суть "прослушивания" проверить наличие несущей (определенного уровня напряжения или света).
Среда (кабель) Ethernet является пассивной, т.е. получает питание от компьютера. Следовательно, она прекратит работу из-за физического повреждения или неправильного подключения терминатора. Сеть Ethernet имеет следующие характеристики:
• традиционная топология – линейная шина;
• другие топологии – звезда, шина;
• тип передачи – узкополосная;
• метод доступа – CSMA/CD;
• спецификации - IEEE 802.3;
• скорость передачи данных – 10 и 100 Мбит/с;
• кабельная система – толстый и тонкий коаксиальный, UTP.

65
Рис. 7.1 Алгоритм CSMA/CD
7.2 Кадр Ethernet
Кадр Ethernet — это последовательность бит, которая начинает и заканчивает каждый пакет Ethernet, передаваемый по сети. Кадр состоит из заголовка и постинформации, которые окружают и инкапсулируют данные, генерируемые протоколами вышележащих уровней модели OSI. Информация в заголовке и постинформации указывает адрес системы, пославшей пакет, и системы, которая должна получить его, а также выполняет несколько других функций, важных для доставки к месту назначения.
Кадр IEEE 802.3
Основной формат кадра Ethernet, определенный стандартом
IEEE 802.3, I выглядит, как показано на рис. 7.2. Функции отдельных полей рассматриваются ниже.
7.2.1 Преамбула и начальный разделитель
Преамбула состоит из 7 байтов с перемежающимися значениями 0 и 1, которые системы используют для синхронизации генераторов тактовых импульсов, а затем отбрасывают. Применение в Ethernet манчестерской системы кодирования требует, чтобы генераторы тактовых импульсов, взаимодействующих систем были синхронизированы, т.е. заключили соглашение о длительности времени, прохождения бита.

66
Большинство производимых сегодня сетевых адаптеров разработаны для синхронизации в течение временного интервала, достигающего времени прохождения 11 бит, но это не абсолютное значение. Для того чтобы указать начало действительной передачи пакета, отправитель передает 1-байтовый начальный разделитель, который продолжает последовательность из перемежающихся 0 и 1, за исключением двух последних бит, которые оба содержат 1. Это — сигнал получателю, что любые последующие за ним данные являются частью пакета и должны быть считаны в буфер памяти сетевого адаптера для последующей обработки
Системы в холостом режиме (т.е. не осуществляющее в данный момент передачу или процесс исправления коллизии) не способны принимать какие-либо данные, пока они обрабатывают сигналы последовательности бит преамбулы в ходе подготовки к последующей передачи данных.
Во время передачи преамбулы принимающая система синхронизирует генератор тактовых импульсов с генератором отправителя, но при этом получатель не знает о том, как много бит из 7 байт преамбулы прошли, прежде чем он включился в синхронизацию.
Рис.7.2 Кадр Ethernet окружает информацию, передаваемую от сетевого уровня вниз по стеку протоколов, и подготавливает её д для передачи.
7.2.2Адрес назначения и исходный адрес
Адресация является наиболее важной функцией кадра Ethernet.
Так как кадр можно представить как "конверт" для данных Сетевого уровня, переносимых внутри него, то ему требуется наличие адресов отправителя и получателя.
Адреса протокола
Ethernet, использующиеся для идентификации систем сети, имеют длину 6
Преамбула (7 байтов)
Начальный разделитель
(1 байт)
Адрес назначения
(6 байтов)
Адрес источника
(6 байтов)
Длина (2 байта)
Данные и заполнение
(46-1500 байтов)
Контрольная последовательность кадра (4 байта)

67
байт и "зашиты" в платы сетевых адаптеров машины. Эти адреса называются аппаратными адресами или
МАС-адресами.
Аппаратный адрес каждого адаптера Ethernet уникален. IEEE присваивает 3-байтовый префикс производителям плат сетевых адаптеров.
Он называется уникальным идентификатором изготовителя (OUI, organizationally unique identifier). Остальные 3 байта аппаратного адреса производители назначают сами.
Поле адреса назначения идентифицирует систему, которой был отправлен пакет. Адрес может указывать на конечную систему, которой предназначен пакет, если эта система находится в локальной сети, либо адрес может принадлежать устройству, предоставляющему доступ в другую сеть, например, маршрутизатору. Адреса Канального уровня всегда указывают на следующую точку остановки пакета в локальной сети. Контроль за прохождением по всему маршруту между конечными точками осуществляет Сетевой уровень, который и предоставляет адрес места назначения пакета.
Каждый узел в сети Ethernet считывает целевой адрес из заголовка пакета, передаваемого по сети, для того, чтобы определить, не содержит ли заголовок адрес этого узла. Система, считавшая заголовок кадра и знавшая свой собственный адрес, считывает пакет целиком в буфер памяти и обрабатывает его. Адрес назначения, полностью состоящий, из двоичных единиц означает, что пакет широковещательный, т. е. предназначен для всех систем сети. Определенные адреса могут быть групповыми. Они идентифицируют группу систем в сети, которые все должны принять посланное сообщение.
Поле исходного адреса содержит 6-байтовый МАС-адрес системы, отправившей пакет.
Значения полей адреса назначения, и адреса источника формирует драйвер сетевого адаптера системы, передающей пакет.
7.2.3Длина
Поле длины кадра IEEE 802.3 составляет 2 байта и указывает на количество данных (в байтах), переносимых кадром в качестве полезной нагрузки. Его значение включает только действительные содержащиеся в пакете данные вышележащих уровней. Оно не включает размеры полей заголовка, постинформации, а также любой нагрузки, которая могла быть добавлена к данным для того, чтобы обеспечить минимальный размер для пакета Ethernet (64байта).
Максимальный размер для пакета Ethernet, включая кадр, составляет
1518 байт. Поскольку кадр состоит из 18 байт, то наибольшее значение поля длины равно 1500.
7.2.4Данные и дополнение

68
Рассматриваемое поле содержит полезные данные пакета, т. е. внутреннее содержимое оболочки. Передаваемые вниз протоколом
Сетевого уровня данные включают первоначальное сообщение, созданное приложением или процессом верхнего уровня, и информацию заголовка, добавляемую протоколами промежуточных уровней. Помимо этого пакет, соответствующий стандарту 802.3, содержит 3-байтовый заголовок уровня управления логической связью (LLC), также размещенный в поле данных.
Например, пакет, содержащий имя хоста Интернета, которое должно быть преобразовано DNS-сервером в IP-адрес, состоит из первоначального сообщения DNS, заголовка, добавленного на
Транспортном уровне протоколом UDP, заголовка, добавленного на
Сетевом уровне протоколом IP, и заголовка LLC. Хотя эти три дополнительных заголовка не являются частью первоначального сообщения, для протокола Ethernet они представляют просто полезные данные, которые переносятся в поле данных, равно как и любая информация. Также как и почтовые работники, которые не подозревают о содержимом передаваемого ими письма, протокол
Ethernet не имеет знаний о содержимом внутри оболочки.
Чтобы механизм выявления коллизий мог функционировать, готовый пакет Ethernet (исключая преамбулу и начальный разделитель) должен быть длиной минимум 64 байта. Таким образом, за вычетом 18 байт кадра, поле данных должно иметь размер не менее 46 байт. Если "полезная нагрузка" полученная от протокола Сетевого уровня, слишком короткая, то адаптер добавляет строку ничего не значащих битов для того, чтобы дополнить поле данных до необходимого размера.
Наибольшая длина для пакета Ethernet составляет 1518 байт, соответственно, поле данных не может быть больше, чем 1500 байт
(включая заголовок LLC).
7.2.5Контрольная последовательность кадра
Последние 4 байта кадра, следующие за полем данных (и дополнением, если оно есть), содержат значение контрольной суммы, которое принимающий узел задействует для определения целостности пакета. Непосредственно перед передачей сетевой адаптер узла, отправляющего сообщение, вычисляет избыточный циклический код (CRC) для всех остальных полей пакета (за исключением преамбулы и начального разделителя), используя полиноминальный алгоритм AUTODIN II. Значение CRC уникально для данных, используемых для его вычисления.
Когда пакет достигает своего места назначения, сетевой адаптер принимающей системы считывает содержимое кадра и выполняет