ЛЕКЦИИ / Лекции1

ВОПРОС 5 МОДЕЛЬ OSI С2 модель OSI это одна из эталонных моделей организации сетей, которая описывает из каких уровней должна состоять сеть, и что должен делать тот или иной уровень. OSI расшифровывается open system interconnection по-русски модель взаимодействия открытых систем это юридический стандарт, который принят международной организации по стандартизации international standard organisation в 1983 году. С3 в терминологии модели определение открытой системы отличается от того которые мы используем сейчас. обычно мы считаем что открытая система это система с открытыми исходными кодами, которая распространяется бесплатно. но в терминологии модели OSI открытая система это система которая построена в соответствии с так называемыми открытыми спецификациями, то есть спецификациями которые доступны всем и соответствует стандартам. в этой терминологии операционная система windows является открытой системой, так как оно построена на основе открытых спецификаций которые описывают работу интернет, хотя исходные коды этой системы закрыты. преимуществом открытых систем, как и любых систем использующих стандарты, является в том, что мы можем строить такие системы из любых компонентов, которые являются совместимыми между собой. мы можем использовать оборудование и программное обеспечение разных производителей. если появилась какая-то новая технология мы можем без проблем заменить старое оборудование и продолжить работать. а также мы можем безболезненно объединять несколько сетей в единую крупную сеть. С4 согласно модели OSI компьютерные сети должны состоять из семи уровней. и эта модель описывает назначение каждого из уровней. модель не является сетевой архитектурой так как не включает описание протоколов, которые определяются в отдельных стандартах. На практике модель взаимодействия открытых систем и не используются, однако ее достоинством является хорошая теоретическая проработка вопросовов сетевого взаимодействия, поэтому модель часто используется в качестве общего языка для описания того как должны строиться сети разных видов. С5 модель взаимодействия открытых систем включает 7 уровней, которые расположены друг над другом. обычно нумерация начинается с уровня который ближе всего находится к среде передачи данных. первый уровень физический, затем канальный, потом сетевой, транспортный, сеансовый уровень, представления и прикладной уровень. С6 название уровней на английском языке и перевод почти везде очевидны кроме второго уровня, который по-английски называется Data-link, а по-русски называется канальный. Сейчас мы кратко рассмотрим назначение уровней, а впоследствии по каждому из уровней будет подробная лекция. С7 физический уровень предназначен для передачи битов по каналу связи. этот уровень никак не анализирует информацию которая передается. и основная задача физического уровня это определить способ представления битов информации в виде сигналов, которые будут передаваться по среде передачи данных. такое представление в виде сигналов будет разным для меди, оптоволокна или электромагнитного излучения. С8 канальный уровень который находится над физическим уровнем, передает уже не отдельные биты, а целые сообщения он должен уметь выделять в потоке бит которые приходят от физического уровня отдельные сообщения. также канальный уровень обеспечивает обнаружение и коррекцию ошибок. в широковещательных сетях, где один и тот же канал связи используются для передачи данных разными компьютерами канальный уровень также дополнительно обеспечивает физическую адресацию, для того чтобы мы могли узнать какому из компьютеров, подключенному к среде передачи, необходимо отправить эти данные. вторая функция канального уровня в широковещательной сети - это управление доступом к разделяемой среде передачи данных, чтобы в один и тот же момент времени данные передавал только один компьютер, иначе произойдет искажение. С9

следующий уровень сетевой предназначен для построения крупных составных сетей на основе различных сетевых технологий. на этом уровне обеспечиваются согласование различий в разных технологиях канального уровня, обеспечивается общая адресация с помощью глобальных адресов, которые позволяют однозначно определить компьютер в составной сети, независимо от того какая технология канального уровня в нем используются и какой тип адресации в этой технологии применяются. а также на сетевом уровне выполняется маршрутизация - то есть поиск маршрутов крупной составной сети через промежуточные узлы. C10 транспортный уровень обеспечивают передачу данных между процессами, которые находятся на разных компьютерах. особенностью транспортного уровня является то, что он может обеспечивать надежность более высокую, чем-то сетевое оборудование которое используется для передачи данных. наиболее популярный сервис который сейчас предоставляется транспортным уровнем это защищенный от ошибок канал связи с гарантированным порядком следования сообщений. в отличие от предыдущих уровней, которые работали по принципу звеньев цепи, при котором информация передается от одного устройства к другому, транспортный уровень является сквозным - сообщение передаются напрямую от процесса отправителя процессу получателю. поэтому транспортный уровень часто называют сетенезависимым, потому что на нем происходит изоляция от сетевого оборудования которое используется для реальной передачи данных. С11 следующий уровень сеансовый. как ясно из названия его цель создавать сеансы связи. он может использоваться для определения очередности передачи сообщений в задаче управления диалогом. например если у нас есть видеоконференция в которой участвует несколько человек, если все люди начнут говорить одновременно, то они ничего не услышат. сеансовый уровень определяет очередностью - кто и когда будет говорить чтобы все другие могли слышать. Также на сеансовом уровне предполагалось решать задачи одновременного доступа к некоторым критическим операциям - например, если два сетевых соединений одновременно попытаются изменить баланс банковского счета, то в результате деньги на счету могут быть потеряны, или если повезет то деньги наоборот могут появиться. последовательное выполнение критических операций также входит в задачи сеансового уровня, и реализуется с помощью управлением маркерами. по логике разработчиков модели взаимодействия открытых систем сеансовый уровень должен предоставлять защиту от разрывов сетевого соединения, и обеспечивать возможность продолжения работы после того как это соединение восстановлено. для этого используется функция синхронизации. однако на практике в реальных сетях сеансовый уровень не используется. С12 следующий уровень это уровень представления. его задача предоставлять данные в таком виде, который понятен как отправителю, так и получателю. необходимо согласовывать не только формат данных, то есть синтаксис, но и смысл, то есть семантику, например разные компьютеры могут использовать различную кодировку для представления символов. или разные форматы хранения чисел - big endian и little endian. преобразование из разных форматов должны обеспечиваться при передаче по сети. для объяснения того зачем нужен уровень представления чаще всего приводит пример с автоматическим переводом - например я снимаю трубку сетевого телефона и звоню в Китай. я говорю в телефонную трубку по-русски сеть это переводит в промежуточный формат, например на английский язык, передает данные на ангийском языке, человек в америке снимают трубку, сеть автоматически переводит данные с языка английского на китайский, и получатель слышит в трубке английские слова. к сожалению это до сих пор не реализовано. Но на практике широкое распространение получило шифрование и дешифрование, которые также реализуется на уровне представления. наиболее популярный пример это Secure soket layer SSL или его более современный вариант Transport layer security. эта технология используется совместно с многими протоколами прикладного уровня. С13 прикладной уровень это именно то ради чего строится сеть. это набор приложений которые могут использовать пользователи сети. в качестве примера можно привести веб-страницы, социальные сети, видео и аудио связь, например skype, всем знакомая электронная почта, доступ к разделяемым файлам, и многое многое другое. С14 Для большинства уровней модель взаимодействия открытых систем придумали свое название единицей передаваемых данных. на физическом уровне такая единица называется бит. на канальном - кадр. на сетевом - пакет. на транспортном уровне сразу два названия - сегмент и дайтограмма. на прикладном уровне, а также представления и сеанса используется просто название сообщения. С15 на разных уровнях модели взаимодействия открытых систем работает разное оборудование. на физическом уровне работает концентратор. на канальном работают коммутаторы и точки доступа вайфай. на сетевом уровне работают маршрутизаторы. в отдельных лекциях мы будем подробно изучать все это оборудование, а также будем подробно разбираться что означает, что оборудование работает на том или ином уровне. уровни, начиная с транспортного, в модели взаимодействия открытых систем работают только на хостах, на сетевом оборудовании их нет. итак мы рассмотрели модель взаимодействия открытых систем. это одна не из эталонных моделей организации компьютерных сетей, которые являются юридическим стандартом и ее приняла международная организация по стандартизации. согласно модели OSI компьютерные сети должны состоять из семи уровней. подробное описание которых содержится в модели. протоколы в эту модель не включены, а приняты в виде отдельных стандартов. однако ни сами протоколы, ни модель взаимодействия открытых систем на практике не используются. однако с помощью этой модели очень удобно описывать логику работы компьютерных сетей. именно для этих целей мы будем использовать эту модель в наших лекциях. на практике для построения сетей используются эталонная модель и стек протоколов TCP/IP, ее рассмотрим ниже.

ВОПРОС 6 Модель и стек протоколов TCP/IP С2 Рассмотрим еще одну эталонную модель организации компьютерных сетей, которые говорят о том из каких уровней нужно строить сети для того чтобы потом можно было их успешно объединять друг с другом. TCP/IP является стандартом де-факто. никто специально не принимал стандарт. просто стек протоколов TCP/IP стал настолько популярен, что все стали использовать этот стек и модель. стек протоколов TCP/IP создавался для глобальных сетей - для объединения больших компьютеров которые стояли в университетах по телефонным линиям связи соединения точка-точка. когда появились новые технологии сетей такие как широковещательные технологии типа интернет, спутниковые технологии, адаптировать TCP/IP для этих технологий оказалось не так уж и просто. стало понятно что просто стека протоколов недостаточно. необходимо модель которая будет говорить о том, как люди должны строить сети на основе разных технологий, чтобы в этих сетях мог работать стек протоколов TCP/IP. С3 модель TCP/IP включают 4 уровня. здесь она представлена рядом с моделью взаимодействия открытых систем так как функции многих уровней совпадают. самый нижний уровень модели TCP/IP - так называемый уровень сетевых интерфейсов. на самом деле это скорее не настоящий уровень, а интерфейс, который обеспечивает взаимодействие с различными сетевыми технологиями - например ethernet, вайфай или другими подобными. затем идет уровень интернет который по задачам аналогичен сетевому в модели взаимодействия открытых систем. он обеспечивает поиск маршрута в составной сети объединяющей сети, построенные на основе разных технологий. затем транспортный уровень который также как и в модели взаимодействия открытых систем обеспечивает связь между двумя процессами на разных компьютерах. четвертый уровень модели TCP/IP прикладной, он включает себя функции трех уровней модель взаимодействия открытых систем - прикладного представления и сеансового. в модели TCP/IP считается, что если приложению нужны какие-то функции уровня представления или сеансового уровня, то оно должно само их реализовывать. на практике по крайней мере до недавнего времени это было оправданно. С4 некоторые авторы пытаются объединить достоинства обеих моделей. Например Таненбаум в своей книге "Компьютерные сети" используют 5 уровневую модель OSI и плюс TCP/IP. модель включает 5 уровней - физический и канальный, которые разделены в модели взаимодействия открытых систем, а затем уровни модели TCP/IP - сетевой транспортный и прикладной. именно такая модель сейчас ближе всего к тому что используется на практике. С5 модели взаимодействия открытых систем и TCP/IP во многом похожи, и достоинством модели взаимодействия открытых систем является хорошая теоретическая проработка. именно в этой модели разделены понятия интерфейса и реализации. в модели TCP/IP такого не было. сетевой уровень предоставлял вышестоящему уровню сервис отправить IP пакет. при вызове соответствующей функции пользователь должен был передать туда ссылку на полностью сформированный IP пакет. это было не очень удобно. достоинством модели TCP/IP является стек протоколов которые широко используются на практике и лежат в основе интернет. к сожалению модели TCP/IP теоретические проработаны не очень хорошо и не пригодна для описания каких-либо сетей, кроме тех в которых работает стек протоколов TCP/IP. модель взаимодействия открытых систем часто используют как раз для описания того как работают различные сети - например fiber channel, infiniband или сеть телефонной сигнализации SS7 С6 стек протоколов TCP/IP, который мы подробно будем изучать, состоит из 4 уровней уровень сетевых интерфейсов, предназначеный для взаимодействия с сетевыми технологиями, которые формально не входят в состав стека TCP/IP. это популярная сейчас технология ethernet, вайфай, и уже теряющее популярность технологии dsl для передачи данных через модем. второй уровень стека протоколов TCP/IP сетевой. на этом уровне для передачи данных используется протокол IP, а также используется несколько дополнительных протоколов, которые обеспечивают работу сетей это ICMP, ARP и DHCP. затем идет транспортный уровень на котором TCP/IP два протокола TCP которые обеспечивают передачу данных с гарантией доставки, и UDP который позволяет передавать данные быстро, но без гарантии доставки. стек протоколов TCP/IP называется так именно в честь наиболее популярных протоколов транспортного и сетевого уровня - TCP и IP. четвертый уровень прикладной, на котором находятся протоколы для решения тех или иных полезных задач. протокол http используется для Web. протокол smtp для передачи почты. протокол FTP для передачи файлов. протокол DNS для назначения IP адресом более понятными для людей доменных имен. на самом деле протоколов прикладного уровня в стеке теперь IP гораздо больше. в дальнейшем на лекциях будем изучать перечисленные протоколы стека TCP/IP С7 итак стек протоколов TCP/IP это наиболее популярный в настоящее время набор сетевых протоколов. этот стек является основой интернет. эталонная модель TCP/IP это де-факто стандарт на организацию сети. модель описывает как нужно строить сети чтобы в них работал стек протоколов TCP/IP.

¶

ВОПРОС 7 ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ С2 это самый нижний уровень и модели взаимодействия открытых систем. его задача это передача потока бит по среде передачи данных. физический уровень не вникает смысл информации которую передает, и никаки не анализирует. Единицы передачи данных на физическом уровне называется бит. С3 Основная задача физического уровня представить биты информации в виде сигналов которые передаются по среде передачи данных. С4 на первый взгляд это достаточно просто. у нас есть некоторые сигнал в цифровом виде. мы передаём его в среду. но из-за того что в среде передачи данных происходят искажения сигнала, получатель принимает не такой хороший сигнал как мы отправили, С5 а примерно вот такой (рисунок) или может быть даже еще хуже. и получатель по этому сигналу должен определить что же ему передал отправитель. однако в решении этой задачи углубляться не будем так как это больше относится к обработке сигналов чем к компьютерным сетям. С6 мы воспользуемся преимуществом организации сетей в виде уровней, каждый из которых предоставляет сервис вышестоящему уровню, и обеспечивает изоляцию решения. мы будем считать что физический уровень каким-то образом передает биты, и как он это делает нам не важно. важно что у нас просто есть канал связи по которому мы можем передавать некоторые сообщения от отправителя к получателю. у канала связи есть важные для нас характеристики - это пропускная способность, которая измеряется в битах в секунду, то есть сколько данных мы можем передать за единицу времени. как правило пропускная способность современных каналов связи измеряется в гигабитах или даже в десятках и сотнях гигабит в секунду. следующая важная характеристика канала - это задержка. она говорит нам о том сколько времени пройдёт прежде чем сообщение от отправителя дойдет до получателя. В современных каналах связи задержка очень маленькая, но не нулевая. совместно пропускная способность и задержка характеризует скорость работы канала. еще одна важная характеристика канала это то насколько часто там возникают ошибки. если ошибки в канале возникают частото, то протоколы или сетевые технологии должны обеспечивать исправления ошибок. А если ошибки в каналах связи возникают редко, то их можно исправлять на вышестоящих уровнях модели взаимодействия открытых систем, например на транспортном. А само сетевое оборудование может не обеспечивать гарантию доставки данных и отсутствие ошибок. в зависимости от направления по которому можно передавать данные каналы связи бывают трех типов: симплексный канал связи, по которому можно передавать данные только в одну сторону, дуплексный - можно передавать данные в обе стороны одновременно, и полудуплексный - тоже можно передавать данные в обе стороны, но по-очереди. С7 в сетях раньше использовалась и используется сейчас большое количество разных сред передачи данных. используются кабели разных типов. исторически первыми появились телефонные кабели, и они же использовались для передачи данных на раннем этапе развития компьютерных сетей. В технологии классический ethernet использовался коаксиальный медный кабель, примерно такие кабели еще недавно широко использовали для подключения антен к телевизорам. сейчас для построения компьютерных сетей используются скручены между собой медные кабели, которые называются витая пара. а также оптические кабели, для передачи данных по которым используется свет. также есть технологии которые позволяют передавать данные прямо по проводам электропитания, которые подходят к розеткам в домах. для этого можно использовать специальные методы модуляции, но они применяются очень редко. сейчас всё больше и большей популярностью пользуются беспроводные технологии в сетях сотовой связи и вай-фай сетях для передачи данных используется радиоволны, а также используется инфракрасное излучение. сейчас оно применяется в пультах дистанционного управления, однако первые варианты технологии вай фай также использовали инфракрасное излучение. возможно использование для передачи данных спутниковых каналов связи, однако такие каналы связи дороги и скорость связи значительно уступает скорости передачи данных по оптическим кабелям. также существуют технологии, которые позволяют использовать лазеры и для передачи данных без кабелей, но сейчас они тоже применяются очень редко из-за низкой скорости их большого количества помех. таким образом сейчас для построения сетей чаще всего применяются - витая пара, оптические кабели, и радиоволны. сейчас мы их рассмотрим более подробно. С8 витая пара представляете из себя набор медных кабелей в одной оболочке. кабели попарно скручены между собой. это делается для того чтобы меньше создавалась помех. в одном кабеле как правило находится 4 витые пары. раньше разные витые пары использовались для передачи данных в разные стороны, но теперь передача данных по всем четырем парам проводов выполняется в двух направлениях одновременно. С9 в оптических кабелях для передачи данных используются тонкие световоды, они представлены в левой части рисунка. каждый такой световод покрывается защитной оболочкой, и несколько световодов объединяются в один кабель. С10 сейчас всё больше и больше для передачи данных используются беспроводные технологии на основе радиоволн. в отличие от кабелей сигнал в беспроводной сергей распространяются по разным направлениям. один и тот же сигнал могут принимать несколько приемников, так же как это происходит с обычными радиоприемниками. И если несколько источников радиоволн передают сигналы рядом друг с другом, то эти сигналы искажаются. поэтому использование радиоволн регулируются законодательством, и разные разделы спектра выделены для использования различными технологиями. например для сотовой связи стандарта gsm который популярен сейчас в россии используется диапазон 900 мегагерц, однако этот диапазон не может использовать кто угодно, для этого необходимо сначала купить лицензию у государства. для работы сетей вай фай используются два диапазона 2,4 гигагерца и 5 гигагерц это специальные диапазоны частот которые можно использовать без получения лицензии. поэтому можно спокойно устанавливать у себя дома вайфай-роутер не спрашивая ни у кого разрешения. однако недостаток в том что те же самые частоты используют и другие приборы например микроволновки, пульты для дистанционного открытия шлагбаумов, и другие системы. таким образом если вы поставите вайфай-роутер рядом с микроволновкой - приборы будут конфликтовать друг с другом, и когда будет работать микроволновка, передача данных по сети будет либо совсем невозможно, либо скорость значительно снизится. С11 Мы уже говорили о том что важным параметром канала связи является количество ошибок которые в нем возникают, и количество ошибок в трех популярных сейчас среды передачи данных отличается друг от друга значительно. меньше всего ошибок возникают в оптических кабелях. как-то повлиять на свет, который идет внутри темной оболочки очень сложно. в медных кабелях ошибки тоже возникают, но достаточно редко. а в беспроводной сергей ошибки напротив возникают очень часто. частота возникновения ошибок в среде передачи данных учитывалось при создании сетевых технологий которые используют эту среду. С12 для представления информации в виде сигналов, которые будут передаваться по каналам связи есть два подхода. первый подход - это прямоугольные импульсы и цифровые, а второй - это синусоидальные волны или аналоговый. цифровые сигналы используются при передаче данных по медным проводам. самый простой способ цифрового представления использовать 0 отсутствием напряжения, а единицу повышенным уровнем напряжения. однако на практике применяются гораздо более сложные схемы, которые мы опять же не будем рассматривать из-за того что не больше относится к теме обработки сигналов. для представления информации в аналоговом виде используются так называемые модуляции, можно менять частоту сигнала, фазу и амплитуду. на практике используются сложные схемы сочетающие несколько методов модуляции, опять же подробно их рассматривать мы не будем. С13 итак мы рассмотрели физический уровень - первый уровень модели взаимодействия открытых систем. задача физического уровня - передача потока бит по каналу связи. сейчас для построения компьютерных сетей в основном используются три типа среды передачи данных это кабели медные и оптические, а также радиоволны для беспроводной передачи данных. важные для нас характеристики каналов связи, которые позволяют сказать насколько хорошо работают канал - это пропускная способность, задержка, и количество ошибок которые возникают в канале.

¶ ЛЕКЦИЯ 3

ВОПРОС 8 КАНАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ С2 по модель взаимодействия открытых систем OSI продвигаемся вверх. рассмотрели физический уровень, теперь переходим к канальному. основные задачи канального уровня это передача сообщений по каналам связи. такие сообщения называются кадрами. именно на канальном уровне определяется где в потоке бит начало сообщения, и где конец сообщения. также на канальном уровне производится обнаружение и коррекция ошибок. для некоторых типов каналов с множественным доступом, где одну и ту же среду передачи данных могут использовать несколько устройств, канальный уровень решает также дополнительные задачи - первая задача это адресация. если у нас на канале связи есть несколько устройств нам нужно определить какому именно устройство предназначено текущее сообщения, а второе - это огласованный доступ к каналу. если все устройства начнут передавать данные одновременно, данные в канале связи исказаться и не смогут быть приняты. С3 давайте начнем рассмотрение канального уровня с работы с кадрами. Помните что физический уровень занимается передачей потока бит по каналу связи, а на канальном уровне нам нужно передавать не отдельные биты, а сообщения. и первая задача канального уровня - как из потока битов, которые приходят по среде передачи данных, выделить сообщение. С4 Рассмотрим как формируется кадр на канальном уровне. предположим что у нас есть два компьютера - хост 1 и хост 2, и здесь показаны три уровня сетевой, канальный и физический. канальный уровень получают данные от вышестоящего уровня - сетевого, и затем добавляет к нему заголовок и концевик. и именно это сообщение - заголовок канального уровня, пакет сетевого уровня и концевик канального уровня и является кадром. это сообщение передается через физический уровень по среде передачи данных, и поступает на канальный уровень принимающего компьютера. на принимающем компьютере читается заголовок и концевик, извлекается пакет сетевого уровня и передается вышестоящему сетевому уровню для последующей обработки. С5 как можно определить где в потоке бит начинается и заканчиваются отдельные кадры? для этого было разработано несколько методов - это указатель количество байт, вставка байтов или битов, байт или бит stuffin, а также для этой цели могут использоваться средства физического уровня. С6 самый простой способ указать где начинается и где заканчивается кадр - это в начало кадра добавлять длину этого кадра. например здесь у нас показаны три кадра выделенных цветом. в начале каждого кадра указано количество байтов. здесь 6. здесь 8. и здесь 4. такой подход хорош тем что он прост в реализации, однако недостаток связан с тем, что данные при передаче по сети могут искажаться. в том числе может исказиться длина кадров в байтах. предположим что при передаче первого кадра у нас произошло искажение и вместо длинны кадра 6 байт получатель получил сообщение где длина кадра указывается 7 байт. что будет делать получатель? он посчитает что 7 байт это длина кадра, а затем идет длина следующего кадра, здесь длина кадра 2, соответственно следующие два байта это отдельный кадр, затем длина следующего кадра 7, и следующие 7 байт это новый кадр. Таким образом если у нас произошла хотя бы одна ошибка, то последовательность чтений будет нарушена, поэтому на практике такой метод не применяется. С7 другой метод определить где начинается и заканчивается кадр это вставкой в начало и конец кадра специальных последовательностей байтов или битов. вставка байтов использовалась в протоколы BSC компании IBM, в котором передавались обычные текстовые символы. перед началом передачи каждого кадра добавлялись байты DLE STX, STX - сокращение от Start of text. после окончания передачи кадра байты, ну то есть символы ETX то есть end of text.