Классические и современные сетевые коммуникационные протоколы

Ключевые термины

Address Resolution Protocol (ARP) – протокол нижнего уровня в Ethernet-сетях, используемый для отображения MAC-адресов в IP-адреса.

Ethernet (стандарт IEEE 802.3) – наиболее распространенный метод организации сетей, основанный на 48-битовых MAC-адресах сетевых компьютеров.

GPRS (General Packet Radio Service) - протокол беспроводной связи уровня связывания данных, широко используемый в мобильной связи (GSM) и "понимающий" структуру IP-пакетов.

Instant Messaging and Presence (IMP) - cемейство протоколов и технологий верхнего уровня для обмена сообщениями между клиентами, использующими мобильные телефоны, коммуникаторы и портативные компьютеры и перемещающимися из одной точки в другую.

IP-адрес – адрес компьютера в сети TCP/IP, имеющий вид: a.b.c.d (все четыре числа – в диапазоне от 0 до 255).

TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) – наиболее распространенное семейство протоколов сетевого и транспортного уровня, используемых в Интернете, основанное на IP-адресах компьютеров.

UDP/IP (Universal Datagram Protocol / Internet Protocol) – асинхронный транспортный протокол для IP-сети, обеспечивающий обмен датаграммами переменной длины.

Wi-Fi (IEEE 802.11x) – семейство протоколов уровня связывания данных для беспроводной радиосвязи в локальных сетях.

Датаграмма – байтовый массив, посылаемый по IP-сети с помощью протокола UDP/IP.

Масштабируемость (scalability) – требование к организации сети, согласно которому, распределенная система должна легко адаптироваться к любому увеличению числа запросов.

Пакет (packet) – часть сообщения в сети TCP/IP, имеющая фиксированный размер, содержащая адрес получателя и номер пакета в сообщении.

Прозрачность (transparency) – требование к организации сети, согласно которому распределенная система должна быть представлена пользователю как обычная централизованная система.

Распределенная хеш-таблица (Distributed Hash Table - DHT) – метод ускоренного взаимодействия между подмножеством узлов IP – сети, основанный на использовании хеш-функций.

"Рукопожатие" (handshake) – обмен взаимодействующих узлов сети сообщениями о каждом выполненном действии (посланном и принятом сообщении).

Сетевой протокол –набор команд (операций) для взаимодействия узлов в сети.

Сетевой уровень (network layer) – уровень сетевых протоколов стандарта ISO, обеспечивающий 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.

Транспортный уровень (transport layer) – уровень сетевых протоколов стандарта ISO, отвечающий 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.

Точка доступа (access point) – предоставляемый провайдером мобильной связи шлюз, используемый для маршрутизации GPRS- пакетов.

Уровень (связывания) данных (Data link layer) – уровень сетевых протоколов стандарта ISO, на котором обрабатываются фреймы сообщений (части пакетов фиксированной длины), включая обнаружение ошибок и восстановление после ошибок на физическом уровне.

Уровень презентаций (presentation layer) – уровень сетевых протоколов стандарта ISO, инкапсулирующий различие в форматах между различными системами в сети, включая преобразования символов и полудуплексную (дуплексную) связь (эхо-вывод).

Уровень приложений (application layer) – самый высокий уровень модели сетевых протоколов стандарта ISO,. взаимодействующий с запросами на передачу файлов пользовательского уровня, протоколами удаленных входов и передачи электронной почты, а также со схемами распределенных баз данных.

Уровень сеансов (session layer) – уровень сетевых протоколов стандарта ISO, реализующий сеансы (sessions), или протоколы коммуникации между процессами.

Устойчивость к ошибкам (fault tolerance) – требование к организации сети, согласно которому распределенная система должна продолжать функционировать в случае ошибок.

Физический уровень (physical layer) – уровень сетевых протоколов стандарта ISO, соответствующий механическим и электрическим сетевым устройствам для передачи сигналов.

Краткие итоги

Согласно стандартной модели ISO, коммуникационные протоколы в сетях подразделяются на следующие уровни (снизу вверх): физический уровень, уровень связывания данных, сетевой уровень, транспортный уровень, уровень сеансов, уровень презентаций, уровень приложений.

Стандартное сетевое сообщение имеет заголовки всех уровней, тело (данные) и признак конца сообщения уровня связывания данных.

Ethernet – это наиболее распространенный метод организации сетей на физическом уровне и уровне связывания данных, основанный на использовании 48-битовых MAC-адресов компьютеров и коаксиальных кабелей BNC. Скорость связи в настоящее время – до 1 гигабита. Используются кабели типа витая пара с разъемами RJ45, сетевые концентраторы и переключатели.

TCP/IP – это семейство Интернет-протоколов, основанное на IP-адресах компьютеров (вида a.b.c.d, где каждое из чисел от 0 до 255) и делении сообщений на пакеты фиксированной длины, содержащие номер пакета и адрес получателя. TCP/IP – синхронный обмен. Асинхронный вариант обмена в IP-сетях – UDP/IP, основанный на пересылке датаграмм в виде байтовых массивов переменной длины.

Для ускорения доступа к подмножествам TCP/IP – сетей используются распределенные хеш-таблицы.

В семействе протоколов TCP/IP сетевой уровень обеспечивает IP-протокол, транспортный – UPD или TCP, верхний уровень – протоколы HTTP, FTP, TELNET, SMTP, DNS, SNMP.

Для обнаружения ошибок в сетях используется метод рукопожатия – обмена сообщениями о каждом выполненном действии. Узел, обнаруживший ошибку в сети в виде отказа другого узла, должен оповестить об этом другие узлы сети.

Требования к проектированию сетей – прозрачность для пользователей, устойчивость к ошибкам и масштабируемость. Для предоставления сетевых услуг используются кластеры компьютеров, функционирующие с точки зрения сетевого клиента как одна машина.

При функционировании Ethernet-сети в рамках одной локальной сетииспользуется протокол ARP для отображения MAC-адресов компьютеров в их адреса, для связи между разными локальными сетями используются маршрутизаторы. Сетевой пакет в Ethernet-сети содержит стандартное начало в виде последовательности определенных байтов, адрес получателя, адрес источника, длину сообщения, данные сообщения и контрольную сумму.

Протокол GPRS используется для беспроводной связи в IP-сети и обеспечивает быструю обработку IP-пакетов. Использует протоколы и серверы мобильной связи GSM и точки доступа, предоставляемые провайдерами мобильной связи. Скорость доступа сравнима со скоростью обычного модема.

Wi-Fi – семейство протоколов беспроводной радиосвязи в локальных сетях со скоростью 10-50 мегабит в секунду в пределах точки доступа (200-250 м). Wi-MAX – развитие Wi-Fi путем покрытия высокоскоростными сетями Wi-Fi территории города, региона или государства. Скорость связи – до 100 МБит / с.

Instant Messaging and Presence – семейство высокоуровневых протоколов для обмена мгновенными сообщениями в сетях мобильных устройств и портативных компьютеров.

Набор для практики

Вопросы

1. На какие уровни подразделяются сетевые протоколы, согласно модели ISO?
2. Что такое физический уровень?
3. Что такое уровень связывания данных?
4. Что такое сетевой уровень?
5. Что такое транспортный уровень?
6. Что такое уровень сеансов?
7. Что такое уровень презентаций?
8. Что такое уровень приложений?
9. Какова стандартная структура сетевого сообщения?
10. Что такое Ethernet и Ethernet-сети?
11. Что такое MAC-адрес?
12. Что такое TCP/IP?
13. В чем отличие UDP/IP от TCP/IP?
14. Что такое распределенная хеш-таблица и какова цель ее использования?
15. Какой метод используется для обнаружения ошибок в сетях?
16. Каковы требования к проектированию сетей?
17. Что такое прозрачность сети?
18. Что такое масштабируемость сети?
19. Что такое устойчивость сети к ошибкам?
20. С помощью каких протоколов функционирует Ethernet-сеть?
21. Какова структура пакета в Ethernet-сети?
22. Что такое GPRS?
23. Что такое Wi-Fi и Wi-MAX?
24. Что такое instant messaging and presence?

Упражнения

1. Назовите все известные Вам сетевые протоколы и определите, к какому уровню модели ISO они относятся.
2. Реализуйте на языке Java с помощью пакета java.net взаимодействие между двумя узнами сети (клиентом и сервером) по протоколам TCP/IP и UDP/IP и проанализируйте результаты.

Темы для курсовых работ, рефератов, эссе

1. Обзор стандартной модели сетевых протоколов ISO (реферат).
2. Обзор архитектуры и организации Ethernet-сетей (реферат).
3. Обзор сетей и сетевых протоколов TCP/IP (реферат).
4. Методы обнаружения ошибок в сетях и реконфигурации сетей (реферат).
5. Обзор возможностей и реализации протокола GPRS (реферат).
6. Обзор возможностей и реализаций семейства протоколов Wi-Fi и Wi-MAX (реферат).
7. Обзор протоколов обмена мгновенными сообщениями (реферат).
8. Реализация на языке Java с помощью пакета java.net взаимодействие между двумя узнами сети (клиентом и сервером) по протоколам TCP/IP и UDP/IP.