Стеки коммуникационных протоколов это

Обновлено: 13.05.2024

Название работы: Стандартные стеки коммуникационных протоколов

Предметная область: Информатика, кибернетика и программирование

Описание: Три основных момента: Существует множество протоколов и хотя все они участвуют в реализации связи каждый протокол имеет различные цели выполняет различные задачи обладает своими преимуществами и ограничениями. Несколько протоколов могут работать совместно. В этом случае они образуют так называемый стек или набор протоколов Работа различных протоколов должна быть скоординирована так чтобы исключить конфликты или незаконченные операции.

Размер файла: 21.42 KB

Работу скачали: 23 чел.

Стандартные стеки коммуникационных протоколов

Протоколы это набор правил и процедур, позволяющий нескольким ПК при объединении в сеть общаться между собой.

Три основных момента:

Существует множество протоколов и, хотя, все они участвуют в реализации связи, каждый протокол имеет различные цели, выполняет различные задачи, обладает своими преимуществами и ограничениями.
Протоколы работают на разных уровнях модели OSI. Функции протокола определяются уровнем, на котором он работает.
Несколько протоколов могут работать совместно. В этом случае они образуют так называемый стек, или набор протоколов

Работа различных протоколов должна быть скоординирована так, чтобы исключить конфликты или незаконченные операции. Этого можно достичь с помощью разбиения стеков протоколов на уровни. Каждому уровню присущ свой набор правил (таблица 6.1)

Таблица 6.1 Модель OSI и уровни протоколов

Добавление в пакет форматирующей и шифрующей информации

Инициализация или прием запроса

Добавление информации о трафике

Добавление информации для обработки ошибок

Добавление адресной информации

Подготовка данных для передачи по физическому соединению

Передача пакета, как потока битов

В настоящее время в компьютерных сетях используется несколько разновидностей стеков коммуникационных протоколов. К наиболее популярным и широко используемым в настоящее время относятся следующие стеки:

стек OSI;
стек TCP / IP;
стек IPX / SPX;
стек NetBIOS / SMB.

Стек протоколов OSI
Следует различать модель OSI и стек протоколов OSI. Модель OSI определяет концепцию построения сетей (сетевую архитектуру), а стек OSI представляет собой набор конкретных спецификаций протоколов. Особенностью данного стека протоколов является его полное соответствие модели OSI, он включает спецификации для всех семи уровней взаимодействия, определенных в этой модели.
Реализация протоколов стека OSI требует значительных вычислительных ресурсов, поэтому они ориентированы на сети с мощными компьютерами.
Стек протоколов OSI распространен пока мало, однако является наиболее перспективным международным стандартом, независящем от конкретных производителей сетевого оборудования.

Стек протоколов TCP / IP
Стек протоколов TCP / IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) был разработан и внедрен в сетевые структуры в начале 80-х годов ХХ века по инициативе Министерства обороны США. В настоящее время данный стек протоколов широко используется для организации взаимодействия абонентских систем в сети Internet и многих корпоративных сетях. Основу стека составляют протоколы IP и TCP, давшие ему название. Эти протоколы, в соответствии с моделью OSI, относятся к сетевому (IP) и транспортному (TCP) уровням. Протокол IP обеспечивает передачу информационных пакетов по составной сети, а TCP гарантирует надежность их доставки.
В настоящее время стек TCP / IP является одним из самых распространенных стеков транспортных протоколов глобальных, региональных и корпоративных сетей ЭВМ.

Стек протоколов IPX / SPX
Стек протоколов IPX / SPX (Internetwork Packet eXchange / Sequenced Packet eXchange) разработан фирмой Novell в начале 80-х годов XX века для сетевой операционной системы NetWare. Данная операционная система до сих пор широко используется в компьютерных сетях, однако, в последнее время интенсивно вытесняется сетевыми операционными системами MS Windows.
Протоколы стека IPX / SPX ориентированы на работу в локальных сетях небольших размеров на основе компьютеров с ограниченными вычислительными ресурсами.

В то время как модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, стек OSI представляет собой набор вполне конкретных спецификаций протоколов.

Стек OSI полностью соответствует модели OSI, т.е. полностью соответствует каждому из семи уровней взаимодействия (для каждого уровня в стеке OSI присутствует спецификация). На нижних уровнях стек OSI поддерживает Ethernet, Token Ring, FDDI, протоколы глобальных сетей, X.25 и ISDN, протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровней стека OSI, специфицированные и реализованные различными производителями, но распространены на данный момент мало. Наиболее популярными протоколами стека OSI являются прикладные протоколы. К ним относятся: протокол передачи файлов FTAM, протокол эмуляции терминала VTP, протоколы справочной службы X.500, электронной почты X.400 и ряд других.

Протоколы стека OSI отличаются сложностью и неоднозначностью спецификаций. Это связано с тем, что разработчики спецификации стека протоколов стремились учесть в своих протоколах всевозможные существующие технологии, и только начинающие развиваться, а также предусмотреть возможные случаи неполадок в протоколах. Кроме этого, на спецификации стека повлияли последствия большого количества политических компромиссов, связанных с принятием международных стандартов.

Из-за своей сложности протоколы OSI требуют больших затрат вычислительной мощности центрального процессора, что делает их наиболее подходящими для мощных машин, а не для сетей ПК.

Стек OSI — независимый от производителей международный стандарт. Его поддерживает правительство США в своей программе GOSIP, в соответствии с которой все компьютерные сети, устанавливаемые в правительственных учреждениях США после 1990 года, должны или непосредственно поддерживать стек OSI, или обеспечивать средства для перехода на этот стек в будущем. Тем не менее, стек OSI более популярен в Европе, чем в США. Одним из крупнейших производителей, поддерживающих OSI, является компания AT&T.

Стандартные стеки коммуникационных протоколов. Стек TCP/IP.

Стек TCP/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США более 30 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Большой вклад в развитие стека, который получил свое название от популярных протоколов IP и TCP, внес университет Беркли, реализов протоколы стека в версии ОС UNIX. Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов стека. Сегодня стек используется для связи компьютеров всемирной информационной сети Internet, а также в большинстве 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, PPP, протоколы территориальных сетей X.25 и ISDN.

Основными протоколами стека являются протоколы IP и TCP. Эти протоколы относятся к сетевому и транспортному уровням, соответственно. IP обеспечивает продвижение пакета по составной сети, а TCP гарантирует надежность его доставки.

За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP вобрал в себя большое количество протоколов прикладного уровня. К ним относятся: протокол пересылки файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, гипертекстовые сервисы службы WWW и др.

Поскольку стек изначально создавался для глобальной сети Internet, он имеет множество преимуществ для построения сетей, включающих глобальные связи. Одной из самых важный особенностей протокола является его способность фрагментировать пакеты: протокол стека IP успешно решает задачи фрагментации кадров передаваемых данных.

Другая особенность стека протоколов - гибкая система адресации, позволяющая проще, чем другие протоколы аналогичного назначения, включать во внутреннюю сеть сети разных технологий.

В стеке TCP/IP используется экономный режим широковещательных рассылок.

Однако за достоинства стека необходимо платить высоким требованиям к ресурсам, сложностью администрирования IP-сетей, необходимостью реализации больших вычислительных затрат, наличием в сети различных централизованных служб типа DNS, DHCP и т. п.

Стандартные стеки коммуникационных протоколов. Стек IPX/SPX. Стек NetBIOS/SMB.

Стек IPX/SPX стек является оригинальным стеком протоколов фирмы Novell, разработанным для ОС Novell NetWare в начале 80-х годов. Протоколы сетевого и сеансового уровней Internetwork Packet Exchange (IPX) и Sequenced Packet Exchange (SPX), которые дали название стеку, являются прямой адаптацией протоколов XNS фирмы Xerox, распространенных в гораздо меньшей степени, чем стек IPX/SPX. Популярность этого стека протоколов связана с ОС Novell NetWare, популярность которой уступает популярности ОС фирмы Microsoft.

Изначально стек IPX/SPX ориентировался на работу в локальных сетях небольших размеров, состоящих из ПК со скромными ресурсами. Для этого протокола требовалось минимальное количество ОП (под управлением MS-DOS - 640 Кбайт). Протоколы быстро работали на процессорах небольшой вычислительной мощности. Как результат этих действий, протоколы стека IPX/SPX до недавнего времени хорошо работали в локальных сетях и не очень — в больших корпоративных, так как они слишком перегружали медленные глобальные связи широковещательными пакетами, которые интенсивно используются несколькими протоколами этого стека. Это обстоятельство, а также тот факт, что стек является собственностью фирмы Novell, и на его реализацию нужно было получать лицензию, долгое время ограничивали его распространенность только сетями NetWare.

Стек NetBIOS/SMB широко используется в продуктах компаний IBM и Microsoft. На физическом и канальном уровнях этого стека поддерживаются все наиболее распространенные протоколы локальных и глобальных сетей (Ethernet, Token Ring и др.). На верхних уровнях работают протоколы NetBEUI и SMB.

Протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output System) появился в 1984 г. как сетевое расширение стандартных функций базовой системы ввода/вывода (BIOS) для сетевой программы PC Network компании IBM. В дальнейшем этот протокол был заменен на протокол расширенного пользовательского интерфейса NetBEUI — NetBIOS Extended User Interface. Для обеспечения совместимости приложений в качестве интерфейса к протоколу NetBEUI был сохранен интерфейс NetBIOS. Протокол NetBEUI разрабатывался как нересурсоемкий протокол для сетей, насчитывающих не более 200 рабочих станций. Этот протокол соержит массу полезных функций, однако он не обеспечивает возможность маршрутизации пакетов. Это ограничивает использование протокола локальными сетями, не разделенными на подсети. Часть ограничений этого протокола снимаются реализацией этого протокола NBF (NetBEUI Frame) для ОС Windows.

Характеристики сети.

Основное требование – выполнение сетью того набора услуг, для оказания которых она предназначена (предоставление доступа к файловым архивам, страницам публичных веб-сайтов и т.д.). Все остальные требования связаны с качеством выполнения основной задачи:

Производительность.Основные характеристики производительности сети: время реакции (ВР), скорость передачи данных (СПД), задержка передачи данных (ЗПД) и вариация ЗПД.

Надежность и безопасность.Для технических устройств оцениваются: среднее время наработки на отказ, вероятность отказа, интенсивность отказа. Для сложных систем: готовность, или коэффициент готовности, сохранность и защита данных, согласованность и непротиворечивость данных. Также доставка пакета к узлу назначения без искажений, вероятность потери пакета и т.д. Безопасность – защита данных от порчи и несанкционированного доступа. Отказоустойчивость.

Совместимость, или интегрируемость, означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное ПО и АО, т.е. в ней могут сосуществовать различные ОС, поддерживающие разные стеки коммуникационных протоколов, а также аппартные средства и приложения от различных производителей.

Управляемость сети подразумевает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети.

Расширяемость и масштабируемость.Расширяемость – возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети, наращивания длины сегментов и замены существующего оборудования на более мощное. Масштабируемость означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается.

Прозрачность сети достигается в том случае, когда сеть представляется пользователем не как множество отдельных компьютеров, связанных между собой, а как единая традиционная ВМ с системой разделения времени. Концепция прозрачности м.б. применена к различным аспектам сети: прозрачность расположения, прозрачность перемещения и т.д.

Качество обслуживания в общем случае подразумевает вероятностные оценки тех или иных требований, предъявляемых к сети приложениями или пользователями.

На рис. 1 показана модель взаимодействия двух узлов. С каждой стороны средства взаимодействия представлены четырьмя уровнями. Процедура взаимодействия этих двух узлов может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары соответствующих уровней обеих участвующих сторон.

Рис. 1. Взаимодействие двух узлов

В сущности, протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними закреплены разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы — модулей соседних уровней в одном узле.

Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней — как правило, чисто программными средствами.

Программный модуль, реализующий некоторый протокол, часто для краткости также называют протоколом. При этом соотношение между протоколом как формально определенной процедурой и протоколом — программным модулем, реализующим эту процедуру, — аналогично соотношению между алгоритмом решения некоторой задачи и программой, решающей эту задачу.

Понятно, что один и тот же алгоритм может быть запрограммирован с разной степенью эффективности. Точно так же и протокол может иметь несколько программных реализаций. Именно поэтому при сравнении протоколов следует учитывать не только логику их работы, но и качество программных решений. Более того, на эффективность взаимодействия устройств в сети влияет качество всей совокупности протоколов, составляющих стек, в частности, то, насколько рационально распределены функции между протоколами разных уровней и насколько хорошо определены интерфейсы между ними.

Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами — концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и т. д. Действительно, в общем случае связь компьютеров в сети осуществляется не напрямую, а через различные коммуникационные устройства. В зависимости от типа устройства в нем должны быть встроенные средства, реализующие тот или иной набор протоколов.

Протокол – это набор правил, обеспечивающих логическое и процедурное сопряжение между одноуровневыми процессами, реализуемыми в различных технических устройствах.

Интерфейс – совокупность устройств и процедур на границе между двумя подсистемами или двумя устройствами, обеспечивающая их полное взаимодействие. В отличие от протокола интерфейс реализует механическое, электрическое и функциональное сопряжение.

Стек протоколов — это набор протоколов для взаимодействия N-уровней ВОС.

Существующие стеки протоколов: TCP/IP, IPX/SPX, OSI, NetBIOS/SMB, SNA (фирма Apple).

Стек IPX/SPX является оригинальным стеком протоколов фирмы Novell, разработанным для сетевой операционной системы NetWare еще в начале 80-х годов. Многие особенности стека IPX/SPX обусловлены ориентацией ранних версий ОС NetWare (до версии 4.0) на работу в локальных сетях небольших размеров, состоящих из персональных компьютеров со скромными ресурсами. Понятно, что для таких компьютеров компании Novell нужны были протоколы, на реализацию которых требовалось бы минимальное количество оперативной памяти (ограниченной в IBM-совместимых компьютерах под управлением MS-DOS объемом 640 Кбайт) и которые бы быстро работали на процессорах небольшой вычислительной мощности. 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 медленные глобальные связи широковещательными пакетами, которые интенсивно используются несколькими протоколами этого стека (например, для установления связи между клиентами и серверами). Сейчас стек IPX/ SPX реализован не только в NetWare, но и в нескольких других сетевых ОС.

Основными отличиями протоколов TCP/IP и IPX/SPX является их противоположная направленность по области применения, так IPX/SPX ориентированы на применение в небольших локальных сетях и для работы на маломощных вычислительных машинах. В отличие от них протоколы стека TCP/IP ориентированы на применение как в ГВС, так и в ЛВС, и требуют больших вычислительных ресурсов. В TCP/IP фрагментация пакетов, гибкая система адресации и сложное администрирование (DNS, DHCP вспомогательные службы).

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.

Использование в сети того или иного стека коммуникационных протоколов во многом определяет лицо сети и ее характеристики. В небольших сетях может использоваться исключительно один стек. В крупных корпоративных сетях, объединяющих различные сети, параллельно используются, как правило, несколько стеков.

Стек TCP/IP

Стек TCP/IP, называемый также стеком Internet, является одним из наиболее популярных и перспективных стеков коммуникационных протоколов. Если в настоящее время он распространен в основном в сетях с ОС UNIX, то реализация его в последних версиях сетевых операционных систем для персональных компьютеров (Windows NT, NetWare ) является хорошей предпосылкой для быстрого роста числа установок стека TCP/IP.

Стек был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defence, DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сателлитными сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Сеть ARPA поддерживала разработчиков и исследователей в военных областях. В сети ARPA связь между двумя компьютерами осуществлялась с использованием протокола Internet Protocol (IP), который и по сей день является одним из основных в стеке TCP/IP и фигурирует в названии стека. Структура протоколов TCP/IP приведена на рисунке. Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня.

Самый нижний (уровень IV) – уровень межсетевых интерфейсов – соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных каналов это Ethernet, Token Ring, FDDI, для глобальных каналов – собственные протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP/PPP, которые устанавливают соединения типа "точка - точка" через последовательные каналы глобальных сетей, и протоколы территориальных сетей X.25 и ISDN. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня.

Следующий уровень (уровень III) – это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей дейтаграмм с использованием различных локальных сетей, территориальных сетей X.25, линий специальной связи и т. п. В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом.

Следующий уровень (уровень II) называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает устойчивое виртуальное соединение между удаленными прикладными процессами. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным методом, то есть без установления виртуального соединения, и поэтому требует меньших накладных расходов, чем TCP.

Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet и ее российской ветви РЕЛКОМ, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие. Остановимся несколько подробнее на некоторых из них, наиболее тесно связанных с тематикой данного курса.

Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлу. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений – TCP. Кроме пересылки файлов протокол, FTP предлагает и другие услуги. Так пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов, FTP позволяет пользователю указывать тип и формат запоминаемых данных. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде, чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль.

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

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

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Читайте также: