12
горизонтальную, основанную на протоколах, которая обеспечивает
механизмы взаимодействия процессов и программ на отдельных
компьютерах;
вертикальную, базирующуюся на услугах, которые обеспечиваются
соседними уровнями на основе одного компьютера.
Каждый отдельный уровень компьютера–отправителя осуществляет
взаимодействие с аналогичным уровнем компьютера-получателя. Подобная
связь называется виртуальной или логической.
В реальности взаимодействие выполняется между смежными уровнями
единичной станции.
Информация от компьютера–отправителя должна пройти по всем
имеющимся уровням, после чего она передается по физическому каналу связи
до компьютера-получателя, после чего снова проходит все уровни в обратном
порядке, пока не достигнет нужного уровня, с которого она была передана
отправителю [15].
Каждый из уровней OSI осуществляет свою функцию.
Имеющиеся уровни модели OSI целесообразно рассматривать в виде
групп программ, которые необходимы для выполнения заданных функций.
Каждый конкретный уровень модели обеспечивает требуемый сервис для
вышестоящего уровня, используя сервис уровня, который расположен ниже в
иерархии.
Верхние уровни выполняют запрос сервиса идентичным образом: чаще
всего это является требованием маршрутизации выбранных данных из одной
локальной сети в другую [4].
Рассматриваемая модель сети определяет взаимодействие имеющихся
открытых систем различных производителей в рамках одной сети. В связи с
этим она выполняет координирующие действия для них по таким критериям,
как:
взаимодействие активных прикладных процессов;
форматам представления передаваемых данных;
13
типам хранения данных;
уровню управления локальными сетевыми ресурсами;
степени безопасности данных и их защите;
диагностика технических средств и ПП [5].
1.2. Анализ протоколов передачи данных в локальных сетях
В общем виде протоколом обозначают некоторый набор правил,
которые задают форматы передаваемых сообщений и методы, которые
обеспечивают обмен данными между компьютером и программным
обеспечением.
Подобные правила используются каждым хостом сети, в результате чего
каждый получатель данных способен получить и интерпретировать
отправленное ему сообщение.
Существующие протоколы ЛВС обладают идентичными
существующим коммуникационным протоколам свойствами, не все из них
реализуются по изначальным методам, в связи с чем, некоторые из
изначальных протоколов устарели.
К недостаткам побных протоколов чаще всего относится низкий уровень
защиты от возможных ошибок и избыточность трафика, передаваемого по
сети.
Современные используемые протоколы ЛВС должны [2]:
обеспечивать достаточный уровень надежности поддерживаемых
сетевых каналов;
обладать высокой степенью быстродействия работы;
обрабатывать и поддерживать интерпретацию целевых и исходных
адресов узлов.
Рассмотрим наиболее распространенные из стеков протоколов:
1. IPX/SPX, данный стек протоколов обеспечивал межсетевой пакетный
обмен, разработан организацией Novell для первой сетевой операционной
системы (СОС), которая поддерживался функции сервера –NetWare.
14
Из-за недостаточно продуманной архитектуры маршрутизации в
настоящий момент не используется нигде. Распределение протоколов стека
IPX/SPX по уровням модели ISO/OSI приведено схематически на рисунке 4.
Рисунок 4 – Распределение протоколов стека IPX/SPX по уровням модели
ISO/OSI
2. Стек протоколов TCP/IP (управления передачей/протокол Интернета)
– наиболее популярный в настоящее время стек протоколов, используемый
для организации доступа к данным в ЛВС и сети Интернет [3].
Большинство СОС и рабочих станций реализуется поддержку
протоколов TCP/IP, как NetWare, так Windows, UNIX, Mac OS, OpenMVS,
FreeBSD и другие. Также, все ведущие производители сетевого аппаратного
обеспечения создают собственные решения для работы TCP/IP, в том числе
средства увеличения уровня производительности и снижения временных
затрат на работу. TCP/IP изначально использовался только в UNIX-системах,
однако после его активного внедрения компанией Windows, а также
15
морального поражения из-за проблем использования ipx в интернета, стал
единственным протоколом для работы с сетями и получил всеобщее
распространение. Схема состава OSI vs DOD приведена на рисунке 5.
Рисунок 5 – Схема состава OSI vs DOD
Рассмотрим функции по DOD.
1-й уровень соответствует канальному и физическому уровням OSI
модели. Он не регламентируется в TCP/IP, однако поддерживает все
современные стандарты организации физического и канального уровня. Для
ЛВС реализована поддержка технологий Ethernet, FDDI, Token Ring, Fast
Ethernet, и других [17]. Для глобальных сетей существует поддержка
протоколов соединений по типу "точка-точка" (Р2Р), SLIP, PPP, различные
протоколы территориально распределенных сетей с коммутацией пакетов и
другие. Создана специальная спецификация, которая позволяет
идентифицировать и обозначить использование технологии ATM для
использования его в качестве базы канального уровня. Благодаря этому
практически любую перспективную технологию можно включить в данный
стек посредством разработки соответствующего набора RFC, который
16
осуществляет идентификацию способа инкапсуляции передаваемых пакетов
IP в соотвествующие кадры.
2-й уровень протокола предназначен для организации межсетевого
взаимодействия (маршрутизации), позволяет осуществлять передачу сетевых
пакетов на базе применения различных транспортных процедур ЛВС,
распределенных территориальных сетей, линий ораганизации специальной
связи и др.
В качестве базового протокола сетевого уровня в TCP/IP применяется
IP-протокол, предназначенный изначально для осуществления передачи
пакетов в составных компьютерных сетях, включающих в свой состав
большое число ЛВС, объединенных различными связями. В связи с этим IP
эффективно функционирует в ЛВС со сложной топологией, благодаря
адекватности использования всех подсистем и экономному использованию
возможностей передачи данных в имеющихся линиях связи. IP представляет
собой дейтаграммный тип протокола, который не требует гарантированной
доставки пакетов до конечного узла назначения [23].
Следует отметить, что к данному уровню относятся и другие протоколы,
которые связаны с изменением таблиц маршрутизации, в частности EIGRP
(88тип), OSPF(89тип) и протокол межсетевых управляющих
сообщений ICMP, назначением которого также является обеспечение
процесса обмена информацией о существующих ошибках между отдельными
маршрутизаторами ЛВС и источником пакета (начальным узлом). С помощью
соотвествующих пакетов ICMP информируется: о невозможности
осуществления доставки сетевого пакета, о превышении допустимого времени
жизни или длительности процесса сборки пакета из имеющихся фрагментов,
об аномальных значениях параметров, об модификации маршрута проведения
пересылки и вида обслуживания, о текущем состоянии системы и др.
3-й уровень называется «хост-хост», на нем происходит работа
протокола управления передачей TCP и производится задействование
протокола дейтаграмм пользователя UDP . TCP необходим для обеспечения
17
надежного процесса передачи сообщений между различными удаленными
процессами посредством создания виртуальных соединений. UDP реализует
передачу различных прикладных программных пакетов на базе
дейтаграммного подхода, аналогично IP протоколу, выполняя функции
связующего элемента между непосредственно сетевым и прикладными
процессами. Так же на этом уровне работают протоколы динамической
маршрутизации RIP (UDP), BGP(TCP) [24].
4-й уровень называется прикладным. В состав TCP/IP входит ряд
протоколов и сервисов данного уровня, в частности: FTP, telnet, SMTP, (для
организации работы электронной почты), различные гипертекстовые сервисы
доступа (WWW) и некоторые другие.
Среди наиболее значимых достоинств стека протоколов TCP/IP,
необходимо отметить такие основные аспекты:
используется в большом количестве ЛВС и в глобальных сетях, что
обуславливает его универсальность и гибкость в сфере сетевых
коммуникаций;
поддержка работы данного протокола обспечивается подавляющим
большинством имеющихся на рынке сетевых устройств;
практически все современные СОС применяют TCP/IP в роли
основного протокола передачи данных;
реализовано большое колличество диагностических программных
средств и анализаторов передаваемого трафика, в том числе бесплатных
решений;
высокая популярность в профессиональной сфере среди
специалистов по ЛВС.
В TCP/IP строгим образом фиксируются все правила транспортировки
данных от отправителя к получателю. Данные приложения отправляются в
виде битов транспортному уровню UDP или TCP. Получив необходимые
данные от начального приложения, они разделяют информацию по отдельным
блокам, именуемым пакетами. К каждому отдельному пакету добавляется
18
значение адрес конечного получателя, после чего пакет передается далее, на
следующий уровень – сетевой, где он размещается в рамках дейтаграммы IP,
к которой дополнительно прикрепляется заголовок и окончание. Протокол
данного уровня идентифицирует адрес последующего пункта IP-дейтаграммы,
которая может быть передана получателю или поступить на промежуточный
шлюз, после чего осуществляется ее отправка непосредственно на уровень
сетевого интерфейса [24].
Он принимает совокупность IP-дейтаграмм и выполняем их передачу в
виде отдельных кадров на базе использования аппаратного обеспечения, в
роли которого выступает Ethernet адаптер. Передача информации от
приложения-отправителя целевому хосту приведена на рисунке 6.
Рисунок 6 – Передача информации от приложения-отправителя целевому
хосту
1.3. Методы доступа и обмена данными в современных локальных
вычислительных сетях
Доступом к ЛВС часто называют процесс взаимодействия узла сети с
соответствующей средой передачи данных для осуществления обмена
информацией с активными станциями. Управление процессом доступа к среде
19
представляет собой процедуру установки некоторой последовательности, в
рамках которой станции получают полный доступ к имеющейся среде
передачи данных.
Методы доступа часто классифицируют на случайные и
детерминированные. Среди методов первого типа часто применяется
метод множественного доступа с процессом контроля несущей и
идентификацией конфликтов (МДКН/ОК и CSMA/CD). Данный метод
базируется на контроле значения несущей в ЛВС передачи данных и
исправлении конфликтов, которые возникают из-за различных попыток
процесса одновременного начала отправки данных нескольким станциями,
путем осуществления попыток захвата линии через случайный период
времени.
МДКН/ОК представляет собой подвид широковещательных методов,
т.е. все хосты при его применении являются равноправными по доступу к
ЛВС. В случае, когда линия свободна, в ней не происходят процессы
электрических колебаний, что достаточно просто может быть распознано
хостом, инициирующим процесс передачи. Подобная станция выполняет
захват линии, а другие хосты, осуществляющие попытку начала передачи
данных в некоторый момент времени t, в случае, если происходит
обнаружение электрических колебаний, то выполняется пауза в передаче до
наступления момента времени t + td, где td – задержка [20].
Существует 2 типа МДКН/ОК настойчивый и ненастойчивый, что
зависит от типа определения td. В первом случае процесс захвата канала
осуществляется сразу после его физического освобождения, что является
допустимым исключительно в случае слабой загрузке ЛВС. В ситуации, когда
нагрузка является заметной вероятность «гонки» нескольких узлов между
собой на получение доступа существенно возрастает, в связи с чем конфликты
будут происходить чаще. Во втором случае задержка td является фактически
случайной величиной.
20
В процессе работы ЛВС каждая отдельная станция осуществляет анализ
адресной части транспортируемых по сети пакетов для обнаружения и
дальнейшего приема соответствующих кадров Алгоритмы доступа по методу
МДКН/ОК приведены на рисунке 7.
Рисунок 7 – Алгоритмы доступа по методу МДКН/ОК
Конфликт представляет собой некоторая ситуация, при которой
несколько хостов за один период времени осуществляют попытки захвата
линии [33]. Одновременность таких событий конкретизируется как некоторое
их отстояние во времени, не превышающее значения 2*d, что имеет название
«окно столкновений», а d представляет собой период времени на прохождение
сигналов по активной линии между имеющимися хостами. В случае, когда
какие-либо из них начали процесс передачи в окне столкновений, то по ЛВС
происходит распространение искаженных данных. Данное искажение
применяется для идентификации возможного конфликта или для сравнения
данных, которые передаются в линию или транспортируются при появлении
постоянного значения напряжения в линии, что возникает в случае искажения
манчестерского кода. Идентифицировав конфликт, хост обязан оповестить об
этом факте партнера, послав некоторый дополнительный сигнал затора, затем
21
хосты должны прекратить попытки выхода в линию. Характерным является
тот факт, что величины td должны быть отличными для хостов ЛВС, которые
участвуют в конфликте, в связи с чем td является случайной величиной.
Значение ее математического ожидания имеет тенденцию к увеличению по
мере роста числа неудачных попыток захвата линии, идущих подряд.
Наиболее часто используемым детерминированным методом доступа
является маркерный метод (ММ). ММ представляет собой метод, основанный
на процессе передачи ряда полномочий станции-источнику на баще
специального информационного объекта, который именуется маркером. Под
подобными полномочиями понимается некое право побуждать выполнение
определенных действий, которые динамическим образом предоставляются
объекту.
На практике используется целый ряд разновидностей ММ доступа.
В эстафетном методе передача отдельного маркера осуществляется в порядке
прямой очередности, в методе селекторного опроса сервер производит опрос
станции и осуществляет передачу полномочий одному из хостов, которые
полностью готовы к организации процесса передачи. В кольцевых
одноранговых ЛВС часто используется тактируемый маркерный доступ, когда
маркер движеться по всему кольцу для передачи данных отдельными
станциями [39].
Для осущствления управления процессом обмена (доступ к ЛВС и ее
арбитраж) часто применяются дополнительные методы, сильно отличающиеся
в зависимости от типа топологии сети.
Существует ряд групп методов доступа к данным сети, базирующихся
на разделении канала во времени:
централизованные и децентрализованные;
детерминированные и случайные.
Централизованный тип доступа осуществляется из центра управления
ЛВС, в частности, от сервера. Обратный ему метод доступа реализуется на