Компьютерные сети Лекция 6 6 сем

Один из недостатков протокола TCP/IP состоит в трудности его установки неопытными пользователями, поскольку необходимо задать множество адресов и серверов. Как указывалось ранее, установка адресов протоколов NetBEUI и IPX/SPX не встречает затруднений. При использовании NetBEUI вы назначаете имя компьютера, а при IPX/SPX — идентификатор сети (network identifier) и позволяете системе назначить собственный идентификатор узла (node identifier), основываясь на адресе аппаратных средств сетевой платы компьютера. Однако протокол TCP/IP требует указания множества адресов, а именно:

• IP-адрес сервера DNS (Domain Name Service — служба имен домена), который транслирует легко запоминаемые человеком адреса, например, computer.company.com, в IP-адреса;

• в сетях Windows NT, использующих имена NetBIOS для идентификации компьютеров, следует указать IP-адрес сервера WINS (Windows Internet Name Service — система присвоения имен Internet для Windows), который транслирует имена NetBIOS в IP-адреса;

• шлюз (gateway) по умолчанию (т.е. портал (главный вход) в следующий сегмент сети), который необходим также и для доступа в Internet;

• число (называемое маской подсети ), идентифицирующее сетевой сегмент, в котором расположен данный компьютер;

• если задействовано динамическое присвоение IP-адресов, следует указать IP-адрес сервера, назначающего IP-адреса.

Если вы уже хоть немного работали в Internet, вероятно, вам знакома концепция IP-адресов. Говоря упрощенно, они представляют собой 32-битовые (четырехбайтовые) числа, которые идентифицируют сетевой компьютер.

По сути, это программный адрес компьютера, в отличие от аппаратного адреса, "зашитого" в сетевую плату. В двоичном формате IP-адрес выглядит примерно так:

В таком виде его нелегко понимать пользователям, за исключением разве что программистов (и компьютеров). Поэтому, исключительно для удобства, IP-адреса обычно записывают в формате октетов, разделенных точками. В этом формате каждый байт из 32 битов номера преобразуется в десятичное число.

Каждой сетевой плате, работающей в сети TCP/IP, присваивается уникальный IP-адрес, идентифицирующий ее во всей сети, а не только в локальном сегменте.

Откуда берутся эти IP-адреса? Где узнать, какие числа следует включать в них? Ответ зависит от "области охвата" вашей сети. Если вы создаете IP-адреса для локальной сети TCP/IP, которая никогда не будет подключена к Internet, то можете назначать их до некоторой степени произвольно (достаточно помнить, что двум сетевым платам нельзя назначать одинаковый адрес). Если же вы собираетесь подключиться к Internet, необходимо получить уникальные IP-адреса, обратившись в международную организацию InterNIC.

InterNIC — единственная организация, которая уполномочена выделять IP-адреса заинтересованным фирмам и организациям. В первом приближении можно считать, что она выделяет группы IP-адресов, основываясь на размерах организаций. С этой целью InterNIC предоставляет организации конкретные числа для первого байта (первых двух, или трех байтов), а для назначения остальных адресов позволяет организации использовать оставшиеся номера по собственному усмотрению. Так, например, если вы запросили у InterNIC набор адресов Internet, вам могут предоставить набор, скажем, 192.106.Х.Х. Это означало бы, что все ваши IP-адреса должны начинаться с префикса 192.106, но вы можете назначить номера (вплоть до 255) по собственному усмотрению остальным двум октетам. Часть, назначенную InterNIC, называют полем сети адреса, а ту, что назначена вами, — полем узла (host portion).

Кроме назначения IP-адресов придется еще создать файл, сопоставляющий имена компьютеров с IP-адресами. Этот файл должен поддерживаться и постоянно обновляться на каждом сетевом компьютере. Чтобы упростить задачу, можно запустить сервер DHCP (протокол динамического конфигурирования компьютера), чтобы взять IP-адреса из специального буфера, а затем использовать серверы WINS или DNS для преобразования имен в адреса. Серверы WINS работают с именами NetBIOS, a DNS - с доменными именами.

Краеугольный камень адресации Internet заключается в идентификации не собственно компьютера, а подсети, т.е. той части сети, в которую компьютер входит. Это достигается не с помощью внешнего сетевого адреса, как в адресах IPX/SPX, а с масками подсети. Маска подсети — число, которое можно "наложить" на IP-адрес. Если сетевая часть IP-адресов компьютеров совпадает с ней, значит, машины находятся в одной подсети. В противном случае, два IP-адреса относятся к разным подсетям.

Установить связь между двумя компьютерами одной подсети несложно. Оборудование передает данные (в соответствии с требованиями протокола TCP/IP) с помощью широковещательной передачи, а компьютер, адрес которого совпадает с указанным в пакете IP, принимает данные. Если компьютеру одной подсети необходимо связаться с компьютером в другой, — запрос должен поступить на маршрутизатор, соединяющий подсети. Маршрутизатор просматривает сетевой адрес места назначения, определяет, находится ли он в данной подсети или нет, а затем направляет пакет в следующую подсеть. Затем этот маршрутизатор проверяет IP-адрес места назначения, определяет, находится ли он в данной подсети, и вслед за этим либо передает сообщение с помощью широковещательной передачи, либо снова направляет пакет в следующую подсеть. Эта процедура продолжается до обнаружения нужной подсети.

Когда пакет поступает в место назначения, протокол определения адреса (ARP) преобразует IP-адрес в аппаратный адрес сетевой платы. Помимо того, протокол ARP отвечает за трансляцию адресов исходящих данных.

Стандарт Ethernet

Алгоритма организации обмена данными Метод управления обменом CSMA/CD Метод управления обменом CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) относится к децентрализованным случайным (точнее, квазислучайным) методам. Он используется как в обычных сетях типа Ethernet, так и в высокоскоростных сетях (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet). Поскольку характеристики и области применения этих популярных на практике сетей связаны именно с особенностями используемого метода доступа, его стоит рассмотреть более подробно. В сетях типа Ethernet и Fast Ethernet в качестве несущей выступает синхросигнал, «подмешиваемый» к передаваемым данным таким образом, чтобы обеспечить надежную синхронизацию на приемном конце. Это реализуется за счет организации (при необходимости) дополнительных принудительных переходов сигнала между двумя (как в коде Манчестер-П) или тремя электрическими уровнями (как в коде типа 8В6Т, используемом в сегменте Fast Ethernet 100BaseT4 на основе четырех неэкранированных витых пар). По сравнению с классическим методом CSMA в методе CSMA/CD добавлено обнаружение конфликтов (коллизий) во время передачи, что повышает скорость доставки информации. При описании временных диаграмм сетей типа Ethernet и Fast Ethernet, а также предельных размеров пакетов (кадров) широко используются следующие термины:

IPG (interpacket gap, межпакетная щель) – минимальный промежуток времени между передаваемыми пакетами (9,6 мкс дляEthernet / 0,96 мкс для Fast Ethernet). Другое название – межкадровый интервал.
ВТ (Bit Time, время бита) – интервал времени для передачи одного бита (100 нс для Ethernet / 10 нс для Fast Ethernet).
PDV (Path Delay Value, значение задержки в пути) – время прохождения сигнала между двумя узлами сети (круговое, то есть удвоенное). Учитывает суммарную задержку в кабельной системе, сетевых адаптерах, повторителях и других сетевых устройствах.
Collision window (окно коллизий) – максимальное значение PDV для данного сегмента.
Collision domain (область коллизий, зона конфликта) – часть сети, на которую распространяется ситуация коллизии, конфликта.
Slot time (время канала) – максимально допустимое окно коллизий для сегмента (512• ВТ).
Minimum frame size – минимальный размер кадра (512 бит).
Maximum frame size – максимальный размер кадра (1518 байт).
Maximum network diameter (максимальный диаметр сети) -максимальная допустимая длина сегмента, при которой его окно коллизий не превышает slot time, времени канала.
Truncated binary exponential back off (усеченная двоичная экспоненциальная отсрочка) – задержка перед следующей попыткой передачи пакета после коллизии (допускается максимум 16 попыток). Вычисляется она по следующей формуле:

RAND(0,2min(N,10)) x 512 x ВТ где N – значение счетчика попыток, RAND(a, b) – генератор случайных нормально распределенных целых чисел в диапазоне а...b, включая крайние значения. Дискрет изменения данного параметра равен минимальной длине пакета или максимально допустимой двойной задержке распространения сигнала в сети (PDV). Алгоритм доступа к сети На рисунке показана структурная схема алгоритма доступа к сети в соответствии с методом CSMA/CD для одного из абонентов, имеющих данные (кадры) для передачи. В начале из кадра, предназначенного для передачи, абонент (узел) формирует пакет. Далее при обозначении блоков информации, передаваемых по сети при использовании алгоритма CSMA/CD, понятия «кадр» и «пакет» не различаются, что не совсем правильно, но соответствует сложившейся практике. Если после подготовки пакета сеть свободна, то абонент (узел) имеет право начать передачу. Но в первую очередь он должен проверить, прошло ли минимально допустимое время IPG после предыдущей передачи. Только по окончании времени IPG абонент может начать передачу битов своего пакета. После передачи каждого бита абонент поверяет наличие конфликта (коллизии) в сети. Если коллизий нет, передача битов продолжается до окончания пакета. В этом случае считается, что передача прошла успешно. Если после передачи какого-то бита обнаружена коллизия, то передача пакета прекращается. Абонент (узел) усиливает коллизию, передавая 32-битовый сигнал ПРОБКА (JAM) и начинает готовиться к следующей попытке передачи. Сигнал ПРОБКА гарантирует, что факт наличия коллизии обнаружат все абоненты, участвующие в конфликте. После передачи сигнала ПРОБКА абонент, обнаруживший коллизию, увеличивает значение счетчика числа попыток (перед началом передачи счетчик был сброшен в нуль). Максимальное число попыток передачи должно быть не более 16, поэтому если счетчик попыток переполнился, то попытки передать пакет прекращаются. Считается, что в этом случае сеть сильно перегружена, в ней слишком много коллизий. Эта ситуация – аварийная, и обрабатывается она на более высоких уровнях протоколов обмена. Если же количество попыток не превысило 16, то производится вычисление величины задержки по приведенной формуле. RAND(0,2min(N,10)) x 512 x ВТ где N – значение счетчика попыток, RAND(a, b) – генератор случайных нормально распределенных целых чисел в диапазоне а...b, включая крайние значения.

Затем и выдержка вычисленного временного интервала. Случайный характер величины задержки с высокой степенью вероятности гарантирует, что у всех абонентов, участвующих в конфликте, задержки будут различными. Затем попытка передать пакет повторяется с начала. Абонент, у которого вычисленная задержка будет меньше, начнет следующую передачу первым и заблокирует все остальные передачи. Если в момент возникновения заявки на передачу (после окончания подготовки пакета) сеть занята другим абонентом, ведущим передачу, то данный абонент ждет освобождения сети. После освобождения сети он дол-жен выждать время IPG после предыдущей передачи по сети до начала собственной передачи. Это связано с конечным быстродействием узлов, осуществляющих проверку наличия несущей (занятости среды каким-либо передающим абонентом). Таким образом, получается, что метод CSMA/CD не только не предотвращает коллизии, наоборот, он их предполагает и даже провоцирует, а затем разрешает. Например, если заявки на передачу возникли у нескольких абонентов во время занятости сети, то после ее освобождения все эти абоненты одновременно начнут передачу и образуют коллизию. Коллизии появляются и в случае свободной сети, если заявки на передачу возникают у нескольких абонентов одновременно. В обоих случаях под словом «одновременно» понимается «в пределах интервала двойного прохождения сигнала по сети», то есть в пределах 512-битовых интервалов. Точно так же в пределах 512-битовых интервалов обнаруживаются все коллизии в сети. Если коллизия обнаруживается раньше 480 – битового интервала, то в результате в сети образуются пакеты, длина которых меньше нижнего установленного предела в 512 – битовых интервалов (64 байта) даже с добавлением сигнала ПРОБКА. Такие пакеты (кадры) называются карликовыми (runt frames). Если же коллизия обнаруживается в конце 512-битового интервала (после 480 – битового интервала), то в результате может получиться пакет допустимой длины (вместе с сигналом ПРОБКА). Такие пакеты называть карликовыми не совсем корректно. Сигнал ПРОБКА, образующий 32 последних бита пакета, выступает в виде контрольной суммы пакета. Однако вероятность того, что ПРОБКА будет соответствовать правильной контрольной сумме пакета, бесконечно мала (примерно 1 случай на 4,2 миллиарда). Коллизии (наложения пакетов в процессе передачи) могут и должны обнаруживаться до окончания передачи. Действительно, анализ принятого в конце каждого пакета поля FCS, фактически содержащего помехо-устойчивый циклический код CRC (Cyclic Redundancy Check), привел бы неоправданному снижению скорости передачи. Практически коллизии обнаруживаются либо самим передающим абонентом, либо повторителями в сети, возможно, задолго до окончания передачи заведомо испорченного пакета. Если учесть, что длина пакетов в локальной сети типа Ethernet / Fast Ethernet может лежать в диапазоне от 64 до 1518 байт, то досрочное прекращение передачи и освобождение линии означает заметное повышение эффективности использования ее пропускной способности. Первым признаком возникновения коллизии является факт получения сигнала ПРОБКА передающим абонентом во время передачи пакета. Другие признаки связаны с неверным форматом пакетов, передача которых была досрочно прекращена из-за возникновения коллизии:

длина пакета меньше 64 байт (512 бит);
пакет имеет неверную контрольную сумму FCS (точнее, неверный циклический код);
длина пакета не кратна восьми.

Наконец, в таких сетях как Ethernet используется код Манчестер-П и аппаратный способ определения коллизии, основанный на анализе отклонения среднего значения сигнала от нуля. Даже при загруженной сети для одного абонента число подряд следующих коллизий обычно не превышает 3. Этому способствует случай-ный характер возникновения запроса на передачу и случайная дискретная величина отсрочки следующей попытки передачи при возникновении коллизии. Число коллизий тем больше, чем больше диаметр (размер) сегмента и чем дальше расположены друг от друга абоненты с интенсивным трафиком.