Вступ. Загальні поняття. Коротка історія ІР – мереж.

Інтернет сьогодні - це глобальна комп'ютерна мережа яка об'єднує тисячі мереж та мільйони комп'ютерів на планеті з метою обміну даними та доступу до спільних інформаційних ресурсів.

А почалось усе п'ятдесят років тому. Ідея з'єднати між собою комп'ютери з метою обміну інформацією та спільного використання їхніх ресурсів у США в минулому столітті під час "холодної війни ". Радянський Союз 1975 року запустив перший супутник Землі. Це започаткувало технологічні змагання між Сполученими Штатами та СРСР у сфері телекомунікацій. Наступного року в США було створено Агентство перспективних розробок (ARPA) та Національну аерокосмічну адміністрацію (NASA) для розробки ефективних технологій зв'язку.

На той час більшість комп'ютерів були зосереджені у військовому комплексі. Кількість і потужність комп'ютерних систем постійно зростала. Виникала необхідність об'єднати територіально віддалені системи в одну мережу з метою раціонального й узгодженого використання їхніх спільних ресурсів. Зробити це треба було так, щоб у разі воєнних конфліктів чи природних катастроф вихід з ладу частини мережі не впливав на її функціонування в цілому.

У 1969 році вперше об'єднали комп'ютери, які були у дослідницькому центрі Стенфордського університету та у Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі. Це стало початком створення мережі, яка одержала назву Arpanet.

Мережа швидко розвивалась і поступово вийшла за рамки суто військового проекту. У 1974 році була відкрита перша комерційна версія Arpanet – мережа Telnet. У 1976 році Роберт Меткалф створив локальну комп'ютерну мережу. У 1977 році число під'єднаних комп'ютерів досягло сотні.

Комп'ютерна мережа (обчислювальна мережа, мережа передачі даних) - система зв'язку комп'ютерів і/або комп'ютерного устаткування (сервери, маршрутизатори і інше устаткування, канали зв'язку). Для передачі інформації можуть бути використані різні фізичні явища, як правило - різні види електричних, світлових сигналів або електромагнітного випромінювання.

Розрізняють мережі : комунікаційна мережа і інформаційна мережа.

Комунікаційна мережа призначена для передачі даних, також вона виконує завдання, пов'язані з перетворенням даних. Комунікаційні мережі розрізняються за типом використовуваних фізичних засобів з'єднання.

Інформаційна мережа призначена для зберігання інформації і складається з інформаційних систем. На базі комунікаційної мережі може бути побудована група інформаційних мереж.

Телекомунікаційна мережа- комплекс технічних засобів телекомунікацій та споруд, призначених для маршрутизації, комутації, передавання та/або приймання знаків, сигналів, письмового тексту, зображень та звуків або повідомлень будь-якого роду по радіо, провідних, оптичних чи інших електромагнітних системах між кінцевим обладнанням.

Під каналом зв'язку слід розуміти шлях або засіб, по якому передаються сигнали.

Канали зв'язку (data link) створюються по лініях зв'язку за допомогою мережевого устаткування і фізичних засобів зв'язку. Фізичні засоби зв'язку побудовані на основі витих пар, коаксіальних кабелів, оптичних каналів або ефіру. Між взаємодіючими інформаційними системами через фізичні канали комунікаційної мережі і вузли комутації встановлюються логічні канали.

Логічний канал - це шлях для передачі даних від однієї системи до іншої. Логічний канал прокладається по маршруту в одному або декількох фізичних каналах. Логічний канал можна охарактеризувати, як маршрут, прокладений через фізичні канали і вузли комутації.

Топологія - це опис фізичних з'єднань в мережі, що вказує які робочі станції можуть зв'язуватися між собою. Тип топології визначає продуктивність, працездатність і надійність експлуатації робочих станцій, а також час звернення до файлового сервера. Залежно від топології мережі використовується той або інший метод доступу.

Склад основних елементів в мережі залежить від її архітектури. Архітектура - це концепція, що визначає взаємозв'язок, структуру і функції взаємодії робочих станцій в мережі. Вона передбачає логічну, функціональну і фізичну організацію технічних і програмних засобів мережі. Архітектура визначає принципи побудови і функціонування апаратного і програмного забезпечення елементів мережі.

У 1960-х та 1970-х роках багато різних мереж вживало власні протоколи і їх впровадження. Спільне використання інформації через ці мережі становило проблему, тому виникла потреба опрацювання спільного протоколу. При опрацювання такого спільного протоколу і системи протоколів ARPANET була впроваджена фундаментальна концепція розшарування. З використанням TCP/IP була створена мережа, яка головним чином використовувалася для потреб урядових організацій та науково-дослідних інститутів і дозволяла спільне використання інформації та співпрацю при дослідженнях.

У 1974 році Vinton G. Cerf і Robert E. Kahn запропонували систему протоколів TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Система протоколів TCP/IP, яка походить від протоколів ARPANET, в основному оформилася у 1978 році.

Назва цієї системи походить від назв двох найважливіших протоколів: протоколу управління пересиланням (Transmission Control Protocol – TCP) та протоколу взаємосполучення мереж (Internet Protocol – IP). Іншою назвою є система інтернет-протоколів, яка вживається у офіційних документах Internet.

Першою метою створення системи протоколів TCP/IP є побудова взаємосполучення (об’єднання) мереж, яке забезпечує універсальні телекомунікаційні послуги (interconnected network, internetwork або internet). Кожна фізична мережа має власний комунікаційний інтерфейс, залежний від застосованої мережевої технології, який у формі програмного інтерфейсу забезпечує основні комунікаційні функції. Комунікаційні послуги здійснюються програмами, які діють між фізичною мережею та застосуваннями користувача, що забезпечує спільний інтерфейс для цих застосувань, незалежний від базової фізичної мережі. При цьому архітектура фізичної мережі невидима для користувача.

Другою метою створення системи протоколів TCP/IP є взаємосполучення різних фізичних мереж у формі, яка дозволяє користувачу працювати в єдиній великій мережі – internet. Щоб об’єднати дві мережі, потрібен комп’ютер, сполучений з обидвома мережами, який може пересилати пакети від одної мережі до іншої. Такий комп’ютер називають раутером або маршрутизатором. Також вживають термін IP-раутер, бо функція раутінгу (маршрутизації) є частиною IP-рівня системи протоколів TCP/IP. З точки зору мережі раутер – це звичайна станція, з точки зору користувача раутер невидимий, бо користувач бачить тільки одну велику мережу. Об’єднання мереж у глобальному масштабі називають Internet (з великої літери).

Internet – це система доручення пакетів, які переносять інформацію для користувачів. Internet базується на декількох основних ідеях.

Ідея 1. Будь-яка станція, під’єднана до Internet, має унікальний 4-байтовий ідентифікатор, який називають IP-адресою.

Ідея 2. Дані, які пересилаються через Internet, спочатку ділять на малі блоки – пакети або IP-данограми. Пакет складається з двох частин – заголовка і корисного навантаження. Заголовок містить, зокрема, IP-адресу призначення пакету.

Ідея 3. Internet складається з багатьох мереж, взаємосполучених через спеціалізовані комп’ютери - раутери. Коли пакет висилається до Internet, то він пересилається через локальну мережу до першого раутера, який також називають шлюзом. Цей раутер перевіряє адресу призначення пакету і вирішує, котрий раутер з бепосередньо під’єднаних до нього, може переслати пакет до раутера наступного стрибка. Процес продовжується наступними раутерами, аж доки пакет досягне свого призначення. Цей процес визначений протоколом IP.

Ідея 4.Доручення пакетів за допомогою протоколу IP ненадійне. Це не означає “погане доручення” або “доручення з низькою якістю”. Це означає, що система доручення може відмовити у коректному дорученні пакету внаслідок, наприклад, впливу електричних завад. Однак більшість пакетів доручаються коректно, бо в концепції Internet закладено засаду найкращого можливого (best effort) доручення за нормальних умов. Ненадійність виявляється, наприклад, при надмірному завантаженні мережі.

Ідея 5. Для забезпечення надійного доручення на краях системи впроваджено протокол TCP. Його завдання полягає у перетворенні послуг ненадійного доручення, які здійснює протокол IP, у надійну систему пересилання даних, придатну для побудови мережевих застосувань. Це називають транспортними послугами. Тут використовують поняття прикінцевої системи (end system) або станції (host). Звичайно це комп’ютери, під’єднані до Internet (не раутери). Два об’єкти TCP впроваджені у двох прикінцевих системах, безпосередньо комунікуються один з одним, використовуючи ненадійне комунікаційне середовище – Internet. Об’єкти TCP комунікуються, обмінюючись сегментами. Сегмент TCP – це частина даних застосування разом з невеликим службовим навантаженням – заголовком TCP, який поміщається (інкапсулюється) в IP-данограму. Надійність забезпечується механізмом підтвердження коректно прийнятого сегменту і повторним пересиланням сегменту, якщо таке підтвердження вчасно не отримане. В цілому послуги TCP орієнтовані на сполучення. Сполучення започатковується процесом застосування (або програмою, яка виконується), який запитує TCP про встановлення сполучення з іншим процесом застосування, що виконується у віддаленій прикінцевій системі.

Ідея 6.Для сприяння комунікації між процесами TCP використовує абстрактну адресу, яку називають номером протокольного порта. Про процес, який очікує на вхідне сполучення кажуть, що він існує на певному номері порта. TCP-сполучення здійснюється до визначеного порта, бо апріорі для певної послуги передбачений конкретний протокольний порт. Протокольні порти є адресами TCP, які діють у доповнення до IP-адрес: IP-адреса визначає конкретну станцію, а номер протокольного порта конкретизує, який процес, що виконується на цій станції, потребує комунікуватися. Процес, який очікує на сполучення на конкретному порті, називають процесом сервера. Процес, який ініціює сполучення до сервера, називають процесом клієнта. В контектсі протоколу TCP ці терміни мають специфічні значення.

Ідея 7. У традиційній телефонній системі, яка базується на комутації кіл, телефонний виклик резервує коло (канал), яке забезпечує надійний двосторонній зв’язок. Мережа мусить бути побудована так, щоб забезпечити досконалу надійність від моменту встановлення сполучення (кола). Тому традиційна телефонна мережа складна і дорога, а кінцеве обладнання користувача – телефонний апарат – просте і дешеве. Internet забезпечує обернену ситуацію. Мережа, тобто система доручення, яка базується на комутації пакетів, проста, але не гарантує нічого, крім високої ймовірності доручення пакетів. Складність міститься у TCP, який діє тільки у прикінцевих системах - достатньо потужних комп’ютерах.

На початку 1980-х років TCP/IP став магістральним протоколом у мережах багатьох виробників, таких як ARPANET, NFSNET та в регіональних мережах. Система протоколів була інтегрована з операційною системою UNIX Каліфорнійського університету і стала доступною для загального використання. Від цього часу TCP/IP стали широко використовувати внаслідок його наявності в UNIX та поширеністю в інших операційних системах.

На сьогодні стек протоколів TCP/IP забезпечує можливості для співпраці, об’єднуючи різні фізичні мережі та надаючи користувачам спільну множину функцій. Він дозволяє взаємодію між обладнанням від різних виробників, різних платформ і забезпечує доступ до Internet.

Сьогодні Internet складається з великих міжнаціональних, національних і регіональних магістральних мереж, які дозволяють локальним і кампусовим мережам, а також окремим особам мати доступ до глобальних ресурсів. Використання Internet експоненціально зростає протягом останніх років, особливо у комерційних застосуваннях. Це обумовлене як наявністю спільних функцій застосувань для різних платформ і можливістю доступу до Internet, так і передовсім можливостями взаємодії. Відкритість стандартів TCP/IP дозволяє корпораціям з’єднувати або об’єднувати різні платформи, наприклад, комп’ютери IBM і Macintosh. TCP/IP також забезпечує транспорт для інших протоколів – IPX, NetBIOS і т.п. Наприклад, ці протоколи можуть вживати мережу TCP/IP для сполучення з іншими мережами з подібними протоколами.

Іншою підставою для поширення TCP/IP є популярність програмного інтерфейсу гнізд (socket programming interface), який є програмним інтерфейсом між рівнем транспортних протоколів та застосуваннями TCP/IP. Багато застосувань на сьогодні написані саме для інтерфейсу гнізд TCP/IP. Процес RFC (Request For Comments) під наглядом IAB (Internet Architecture Board) та IETF (Internet Engineering Task Force) здійснюють постійну модернізацію і розширення системи протоколів TCP/IP.

Модель TCP/IP.

TCP/IP є стеком протоколів, який складається з чотирьох рівнів (рис. 3.1).

Рівень застосувань – це процеси користувача, пов’язані з іншими процесами в тій самій або іншій станції. Він забезпечується програмами користувача, які вживають TCP/IP для комунікації. Прикладами поширених застосувань, які використовують TCP/IP, є Telnet – протокол для віддаленого сполучення терміналів, FTP – протокол пересилання файлів, SMTP - протокол пересилання електронної пошти. Існує багато інших, але це основні застосування. За винятком ping (який є простим засобом діагностики – протокол висилає пакет і визначає, чи отримане ехо-відповідь від призначення, щоб визначити досяжність призначення і як довго пакет слідує до призначення і назад), інші застосування є застосуваннями типу “клієнт-сервер”. Файли пересилаються до/від сервера від/до клієнта,електронна пошта висилається від клієнта до поштового сервера, читається із цього сервера клієнтом-приймачем; віддалене управління портом станції фактично є управлінням портом telnet-сервера з боку telnet-клієнта. Для таких застосувань кожен клієнт виконує “клієнтську програму”, тоді як сервер –“серверну програму”. Програми застосувань клієнта і сервера взаємодіють, спочатку для відкриття сесії (повідомлення про реєстрацію, адреса або назва ресурсу, доступ до якого потрібний), потім для створення передавального і приймального буферів для сесії у клієнта і сервера, а також для встановлення правильних параметрів подання (кодування, шифрування, компресії, формату друку тощо). Як тільки ця фаза завершена, то викликається рівень пакування-розпакування – Трансортний рівень. Інтерфейси між Рівнем застосувань і Транспортним рівнем визначені номерами протокольних портів і гніздами (sockets).

Транспортний рівень забезпечує наскрізне пересилання даних. Він відповідає за надійний обмін інформацією. В дійсності протоколи Транспортного рівня фізично не переміщають даних, вони тільки здійснюють їх упакування і розпакування. Програми і апаратура для переміщення даних викликаються цими протоколами для виконання властивих їм завдань.

Головним транспортним протоколом є TCP (Transmission Control Protocol – протокол управління пересиланням). TCP - це складний повнодуплексний протокол, який здійснює послуги зі встановленням сполучення. Він розділяє файл, що підлягає пересиланню, на частини, які називають “сегментами”. Сегмент TCP складається із заголовка і даних, пов’язаних із ним. Порти джерела і призначення використовуються для визначення номерів сесій клієнта і сервера.

Для кожного сегменту його місце у послідовності визначається висиланням спеціального пакету TCP і підтвердженням через отримання відповідного TCP-пакету. При висиланні пакетів TCP управління потоком сегментів керується призначенням “вікна”, яке має стільки бітів, скільки передавач може вислати водночас. Крім того, TCP може позначати дані як “термінові” або як “зовнішньо-термінові/слід_вислати”, і погоджувати максимальний розмір сегменту. Сегменти висилаються послідовно, перевіряються за допомогою циклічної контрольної суми (CRC); при виявленні помилок вимагається повторне пересилання. Порядковий номер сегменту TCP у послідовності, номер підтвердження, CRC, прапорці портів призначення і джерела, а також опції поміщені перед даними у заголовку сегменту.

Іншим протоколом Транспортного рівня є UDP (User Datagramm Protocol – протокол данограм користувача), який забезпечує послуги без встановлення сполучення. UDP – це дуже простий протокол, який пов’язує заголовок із даними, що складаються із номерів портів призначення і джерела та CRC, і пересилає дані одним пакетом (данограмою) без контролю послідовності або помилок. Це означає, що застосування, які вживають UDP як транспортний протокол, повинні забезпечувати власне наскрізне управління потоком. Звичайно UDP вживають для застосувань, які потребують швидкого механізму транспорту.

Рівень об’єднання мереж,який також називають Рівнем internet або Мережевим рівнем, забезпечує образ віртуальної мережі для об’єднання мереж (internet), є найвищим рівнем для типової мережевої архітектури, розташованої під цим рівнем, і відділяє фізичну мережу від рівнів понад нею. Найважливішим протоколом цього рівня є IP (Internet Protocol). Це протокол без встановлення сполучення, який не передбачає надійності нижніх рівнів. IP не забезпечує надійності, управління потоком або виправлення помилок. Ці функції повинні бути передбачені на вищих рівнях, зокрема, на Транспортному рівні при використанні TCP, або на Рівні застосувань, якщо вживається UDP. Одиницею повідомлення в IP-мережі є данограма. Це основний інформаційний блок, який пересилається через мережу TCP/IP. У стеку протоколів IP забезпечує функції раутінгу для розподілу цих данограм до коректних приймачів (адресатів).

Спосіб, у який працює протокол IP, полягає в наступному. У станції-джерелі TCP або UDP сегментують повідомлення і передають сегменти до IP. Протокол IP поміщає сегменти в данограми, дописуючи IP-заголовок, і пересилає данограми до “раутера за замовчуванням” (який в TCP/IP називають шлюзом). Раутер перевіряє заголовок кожної данограми і порівнює IP-адресу призначення з адресами мереж, які знаходяться під контролем цього раутера. Якщо адреса узгоджується, то раутер приймає пакет і пересилає його до мережі, в якій розташована станція-призначення. Якщо ні, то раутер перевіряє свою таблицю раутінгу для знаходження раутера наступного стрибка, до якого пересилає (маршрутує) данограму. Останній раутер, тобто той, який встановив відповідність адреси призначення своїй мережі, доручає данограму до станції-призначення. При цьому раутер використовує таблицю відповідності IP-адрес MAC-адресам станцій в мережі. Це таблиця протоколу розв’язування адрес (Address Resolution Protocol - ARP). Якщо потрібної адреси нема в таблиці, то раутер висилає ARP-запит, отримує ARP-відповідь про MAC-адресу потрібної станції та заносить її у таблицю.

Іншими протоколами Рівня internet є ICMP, IGMP та RARP.

Рівень мережевого інтерфейсу, який також називають Канальним рівнем, здійснює інтерфейс до наявного мережевого обладнання (Фізичного рівня). Цей рівень також не гарантує надійного доручення даних; він може бути орієнтованим на пакети або потоки. TCP/IP не визначає жодного конкретного протоколу для цього рівня. Він може використовувати будь-який наявний мережевий інтерфейс, реалізуючи цим гнучкість мережі і сумісність з наявною інфраструктурою. Прикладами протоколів мережевого інтерфейсу, які підтримуються, є IEEE 802.3, Ethernet, X.25 (який є надійним сам по собі), Frame Relay, ATM. Канальний і Фізичний рівні фактично здійснюють транспорт даних.

3.1. 2. Класифікації мереж

Лекція 2