Сетевые протоколы и коммуникации. Тема 2

К наиболее распространенным компьютерным протоколам относятся:
кодирование сообщения;
форматирование и инкапсуляция сообщения;
размер сообщения;
временные параметры сообщения;
параметры доставки сообщения.

Коммуникационные протоколы
Физический уровень – механические и электрические устройства для передачи сигналов.
Уровень (связывания) данных – обрабатывает фреймы (frames), или части пакетов фиксированной длины, включая обнаружение ошибок и восстановление после ошибок на физическом уровне.
Сетевой уровень – обеспечивает соединение и маршрутизацию пакетов в коммуникационной сети, включая обработку адресов исходящих пакетов, декодирование адресов входящих пакетов и поддержку информации для маршрутизации для соответствующего ответа для изменения уровней загрузки.
Коммуникационная сеть подразделяется на следующие основные уровни (layers):

Транспортный уровень – отвечает за сетевой доступ нижнего уровня и за передачу сообщений между клиентами, включая разделение сообщений на пакеты, сопровождение порядка пакетов, поток управления и генерацию физических адресов.
Уровень сеанса – реализует сеансы (sessions), или протоколы коммуникации между процессами.
Уровень презентаций – разрешает различие в форматах между различными системами в сети, включая преобразования символов и полудуплексную (дуплексную) связь (эхо-вывод).
Уровень приложений – взаимодействует непосредственно с запросами на передачу файлов пользовательского уровня, протоколами удаленных входов и передачи электронной почты, а также со схемами распределенных баз данных.

Коммуникация в сети, согласно многоуровневой модели ISO

Примером использования набора протоколов в сетевой связи является взаимодействие между веб-сервером и веб-клиентом.
Протокол прикладного уровня—протокол передачи гипертекста(HTTP): определяет,каким образом взаимодействуют веб-сервер и веб-клиент.
Транспортный протокол—протокол управлени япередачей(TCP): управляет отдельными сеансами связи между серверами и клиентами в Интернете. TCPделит сообщения HTTP на более мелкие части, называемые сегментами.
Интернет-протокол—протокол IP: отвечает за приём форматированных сегментов от TCP, инкапсуляцию их в пакеты, присвоение им соответствующих адресов и их доставку по наилучшему пути к узлу назначения.
Протоколы сетевого доступа: описывают две основные функции—связь по каналу передачи данных и физическую передачу данных по сетевой среде.

Уровни сетевых протоколов

Сетевое сообщение, согласно модели ISO

Ethernet
Ethernet (стандарт IEEE 802.3) - наиболее распространенный метод организации сетей
Относится к физическому (physical Ethernet) уровню и уровню связывания данных, согласно 8-уровневой модели OSI
Основные идеи Ethernet: использование 48-битового адреса, который присваивается каждой рабочей станции (компьютеру) и используется для идентификации источников и получателей пакетов в сетях
Первоначально: 3 МБит/с; в настоящее время – до 1 Гбит/с (Gigabit Ethernet)
В большинстве локальных сетей используется витая пара (twisted pair) с разъемами типа RJ 45
Для соединений используются концентраторы (hubs) ли коммутаторы(switches)

TCP / IP
Transmission Control Protocol / Internet Protocol
Основоположники: Robert Kahn, Vinton Cerf (1972 – 1974)
Основан на использовании IP-адресов вида: a.b.c.d (четыре числа от 0 до 255) для любого хоста (компьютера) в сети и пакетов (packets) фиксированного размера, содержащих адрес получателя
Используется в Интернете
Более общее современное название: Internet Protocol Suite (различаются более новая версия – IPv6 и более старая – IPv4)
Другой вариант: UDP/IP (UDP – асинхронный транспортный протокол, обеспечивающий обмен датаграммами – байтовыми массивами переменной длины); менее надежный, но более быстрый
Скорость TCP/IP не всегда удовлетворительна. Для оптимизации связи между узлами сети применяются Distributed Hash Tables (DHT) – распределенные хеш-таблицы и Peer-to-Peer (P2P) Networks – одноранговые сети. В них реализована своя система имен узлов сети и более быстрого их поиска, чем с использованием TCP/IP протоколов

Уровни протокола TCP/IP

Взаимодействие протоколов при обмене данными

Организации по стандартизации:
-Общество Интернет (ISOC)
-Совет по архитектуре Интернета(IAB).
-Инженерная группа по развитию Интернета(IETF)
-Институт инженеров по электротехнике и электронике(IEEE)
-Международная организация по стандартизации (ISO)

Устойчивость сетей к ошибкам
Обнаружение ошибок
Реконфигурация

Обнаружение ошибок в сетях
Обнаружение ошибок аппаратуры достаточно сложно.
Для обнаружение ошибки связи может быть использован протокол “рукопожатия” (handshake).
Предположим, что система A и система B установили связь. Через фиксированные интервалы времени системы должны обмениваться сообщениями типа “я в порядке” (I-am-up), указывающими, что они нормально функционируют.
Если система A не получает сообщения через фиксированный интервал, то, по-видимому, (a) другая система не работает, или (b) данное сообщение потеряно.
Система A теперь посылает сообщение вида: “Вы в порядке?” (are-you-up?) системе B.
Если система A не получает ответа, она может повторить сообщение или попробовать альтернативный маршрут к системе B
Метод обнаружения, работает ли хост hostname:
ping hostname (или: ping A.B.C.D)

Если система A не получает обязательного ответа от системы B, она заключает, что имеет место какая-либо ошибка.
Типы ошибок:
- Система B не работает
- Непосредственная связь между A и B не работает
- Альтернативная связь между A и B не работает
- Сообщение потеряно
Однако система A не может точно определить, почему произошла ошибка.

Реконфигурация
Когда система A определяет, что произошла ошибка, она должна реконфигурировать систему:
1. Если связь между A и B отказала, эта информация должна быть доведена до любой машины в сети.
2. Если имеет место отказ машины, то любая другая машина должна быть также нотифицирована о том, что сервисы, обеспечиваемые отказавшей машиной, более не доступны.
Когда связь или машина становятся доступны снова, данная информация должна также быть сообщена всем машинам в сети.

Задачи проектирования
Прозрачность – распределенная система должна быть представлена пользователю как обычная централизованная система.
Устойчивость к ошибкам – распределенная система должна продолжать функционировать в случае ошибок.
Масштабируемость – по мере расширения запросов, система должна легко воспринимать добавление новых ресурсов с целью удовлетворения расширенных запросов.
Кластер – совокупность полуавтономных машин, функционирующих как одна система.

Функционирование сети Ethernet
Передача сетевых пакетов между машинами в сети Ethernet.
Каждая машина имеет уникальный IP-адрес и соответствующий Ethernet- (MAC-) адрес.
Для коммуникации требуются оба адреса.
Domain Name Service (DNS) может быть использована для поиска IP-адресов.
Address Resolution Protocol (ARP) используется для отображения MAC-адресов в IP-адреса.
Если машины находятся в одной и той же локальной сети, то может использоваться ARP. Если машины в разных локальных сетях, то машина-отправитель посылает пакет маршрутизатору (router), который маршрутизирует данный пакет до принимающей сети.

Структура пакета в Ethernet

GPRS (General Packet Radio Service)
Протокол беспроводной радиосвязи уровня data link (уровня 2), широко используемый в мобильной связи (GSM). “Понимает” IP-пакеты
Скорость ~ 60 КБит / с (сравнима со скоростью обычного модема и обмена через телефонную линию - dial-up)
Используется для реализации SMS, MMS, Instant messaging and presence, WAP, мобильного Интернета
В некоторых местностях и странах является фактически единственным способом организации связи для передачи данных и выхода в Интернет
При использовании TCP/IP, GPRS-протокол присваивает каждому мобильному телефону один или несколько IP-адресов и обеспечивает надежную пересылку IP-пакетов. IP-адреса, как правило, присваиваются динамически
Для маршрутизации пакетов используются точки доступа (access points) со своими Access Point Names (APNs). При настройке GPRS в мобильном телефоне необходимо указать APN, предоставляемую Вашим провайдером (например, МТС)
При использовании телефона как GPRS-модема (для выхода в Интернет, приема электронной почты и т.д.) связь с компьютером осуществляется через Bluetooth или через инфракрасный порт (IrDA)
Три уровня GPRS-протоколов

GPRS: Схема работы