Стандартные сетевые протоколы

Протокол - это набор правил и процедур, регулирующих порядок осу­ществления связи. Естественно, все компьютеры, участвующие в обмене, должны работать по одним и тем же протоколам, чтобы по завершении передачи вся информация восстанавливалась в первоначальном виде.

О протоколах самых нижних уровней (физического и канального), отно­сящихся к аппаратуре, уже упоминалось в предыдущих разделах. В час­тности, к ним относятся методы кодирования и декодирования, методы управления обменом в сети. Подробнее о некоторых из них будет расска­зано в специальных главах книги. А сейчас мы остановимся на особенно­стях протоколов более высоких уровней, реализуемых программно.

Связь сетевого адаптера с сетевым программным обеспечением осуще­ствляют драйверы сетевых адаптеров. Именно благодаря драйверу ком­пьютер может не знать никаких аппаратурных особенностей адаптера (ни его адресов, ни правил обмена с ним, ни его характеристик). Драйвер уни­фицирует, делает единообразным общение программных средств с лю­бой платой данного класса. Сетевые драйверы, поставляемые вместе с сетевыми' адаптерами, позволяют сетевым программам одинаково рабо­тать с платами разных поставщиков и даже с платами разных локальных сетей (Ethernet, Arcnet, Token-Ring и т.д.). Если говорить о стандартной модели OSI, то драйверы, как правило, выполняют часть функций верх­него подуровня (подуровень управления доступом к среде, MAC) каналь­ного уровня, хотя иногда они выполняют и часть функций сетевого уров­ня. Например, драйверы формируют передаваемый пакет в буферной памяти адаптера, читают из этой памяти пришедший по сети пакет, дают команду на передачу и информируют компьютер о приеме пакета.

В любом случае перед приобретением платы адаптера не мешает ознако­миться со списком совместимого оборудования (Hardware Compatibility List, HCL), который публикуют все производители сетевых операцион­ных систем. Выбор там довольно велик (например, для Microsoft Windows NT Server список включает более сотни драйверов сетевых адаптеров). Если в список HCL не входит адаптер какого-то типа, лучше не риско­вать и не покупать его.
Рассмотрим теперь кратко протоколы более высоких уровней.

Существует несколько стандартных наборов (или, как их еще называют, сте­ков) протоколов, получивших сейчас наиболее широкое распространение:

• набор протоколов ISO/OSI;
• IBM System Network Architecture (SNA);
• Digital DECnet;
• Novell NetWare;
• Apple AppleTalk;
• набор протоколов глобальной сети Internet, TCP/IP.

Включение в этот список протоколов глобальной сети вполне объяснимо, ведь модель OSI используется для любой открытой системы, как на базе локальной сети, так и на основе глобальной сети или комбинации локаль­ной и глобальной сетей.

Протоколы перечисленных наборов делятся на три основные типа:

• прикладные протоколы (выполняющие функции приклад­ного, представительского и сеансового уровней модели OSI);
• транспортные протоколы (выполняющие функции транс­портного и сеансового уровней OSI);
• сетевые протоколы (выполняющие функции трех нижних уровней OSI).
Прикладные протоколы обеспечивают взаимодействие приложений и обмен данными между ними. К наиболее популярным из них относятся следующие: • FTAM (File Transfer Access and Management) - протокол OSI доступа к файлам;
• X.400 - протокол СС1ТТ для международного обмена элек­тронной почтой;
• Х.500 - протокол СС1ТТ служб файлов и каталогов на не­скольких системах;
• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - протокол глобаль­ной сети Internet для обмена электронной почтой;
• FTP (File Transfer Protocol) - протокол глобальной сети Internet для передачи файлов;
• SNMP (Simple Network Management Protocol) - протокол для мониторинга сети, контроля за работой сетевых компо­нентов и управления ими;
• Telnet — протокол глобальной сети Internet для регистра­ции на удаленных хостах и обработки данных на них;
• Microsoft SMBs (Server Message Blocks, блоки сообщений сервера) и клиентские оболочки или редиректоры Microsoft;
• NCP (Novell NetWare Core Protocol) и клиентские оболочки или редиректоры Novell.
Транспортные протоколы поддерживают сеансы связи между компью­терами и гарантируют надежный обмен данными между ними. Наиболее популярны из них следующие:
• TCP (Transmission Control Protocol) - TCP/IP-протокол для гарантированной доставки данных, разбитых на последова­тельность фрагментов;
• SPX - часть набора протоколов IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/Sequential Packet Exchange) для данных, разбитых на последовательность фрагментов, предложен­ный фирмой Novell;
• NWLink - реализация протокола IPX/SPX от фирмы Microsoft;
• NetBEUI - (NetBIOS Extended User Interface, расширенный интерфейс NetBIOS) — устанавливает сеансы связи между компьютерами (NetBIOS) и предоставляет верхним уровням транспортные услуги (NetBEUI).
Сетевые протоколы управляют адресацией, маршрутизацией, провер­кой ошибок и запросами на повторную передачу. Наиболее популярны из них следующие:
• IP (Internet Protocol) - TCP/IP-протокол для передачи дан­ных;
• IPX (Internetwork Packet Exchange) - протокол фирмы NetWare для передачи и маршрутизации пакетов;
• NWLink - реализация протокола IPX/SPX фирмой Micro­soft;
• NetBEUI - транспортный протокол, обеспечивающий услуги транспортировки данных для сеансов и приложений NetBIOS.

Все перечисленные протоколы могут быть поставлены в соответствие тем или иным уровням эталонной модели OSI. При этом надо учитывать, что разработчики протоколов не слишком строго придерживаются этих уров­ней. Например, некоторые протоколы выполняют функции, относящиеся сразу к нескольким уровням модели OSI, а другие - только часть функ­ций одного из уровней. Это приводит к тому, что протоколы разных фирм часто оказываются несовместимы между собой, а также к тому, что про­токолы могут быть успешно использованы исключительно в составе сво­его набора протоколов (стека), который выполняет более или менее за­конченную группу функций. Как раз это и делает сетевую операционную систему «фирменной», то есть, по сути, несовместимой со стандартной моделью открытой системы OSI.

В качестве примера на рис. 4.7,4.8 и 4.9 схематически показано соотноше­ние протоколов, используемых популярными фирменными сетевыми опе­рационными системами, и уровней стандартной модели OSI. Как видно из рисунков, практически ни на одном из уровней нет четкого соответ­ствия реального протокола какому-нибудь уровню идеальной модели.
Рассмотрим теперь подробнее некоторые наиболее распространенные протоколы.

Модель OSI допускает два различных метода взаимодействия в сети:
• Метод взаимодействия без логического соединения (метод дейтаграмм) - самый старый и простейший метод, в кото­ром каждый пакет рассматривается как самостоятельный объект (рис. 4.10). Пакет передается без установления логи­ческого канала, то есть без предварительного обмена слу­жебными пакетами для выяснения готовности приемника, а также без ликвидации логического канала, то есть без паке­та подтверждения окончания передачи. Дойдет пакет до приемника или нет - неизвестно (проверка факта получе­ния переносится на более высокие уровни). Метод дейтаг­рамм предъявляет повышенные требования к аппаратуре (так как приемник всегда должен быть готов к приему паке­та). Достоинство метода в том, что передатчик и приемник работают независимо друг от друга, к тому же пакеты могут буферироваться и передаваться затем все вместе, можно также использовать широковещательную передачу, то есть адресовать пакет всем абонентам одновременно. Недостат­ки метода — это возможность потери пакетов, а также воз­можность бесполезной загрузки сети пакетами в случае от­сутствия или неготовности приемника.

• Метод с логическим соединением (рис. 4.11, см. также рис. 3.2) — это более поздняя разработка с более сложным порядком взаимодействия. Пакет передается только после того, как будет установлено логическое соединение (канал) между приемником и передатчиком. Каждому информационному пакету сопутствует один или несколько служебных пакетов (установка соединения, подтверждение получения, запрос повторной передачи, разъединение соединения). Логический канал может устанавливаться на время передачи одного или нескольких пакетов. Метод более сложен, чем метод дейтаграмм, но гораздо надежнее его, так как к моменту ликвида­ции логического канала передатчик уверен, что все его па­кеты дошли до места назначения, причем дошли успешно. Не бывает при данном методе и перегрузки сети из-за бес­полезных пакетов, как в случае метода дейтаграмм. Недо­статок метода с логическим соединением состоит в том, что довольно сложно разрешить ситуацию, когда принимающий абонент по тем или иным причинам не готов к обмену, на­пример из-за обрыва кабеля, отключения питания, неисп­равности сетевого оборудования, сбоя в компьютере. При этом требуется алгоритм обмена с повторением неподтвер­жденного пакета заданное количество раз, причем важен и тип неподтвержденного пакета.
Примеры протоколов, работающих по первому методу - это IP и IPX, a протоколов, работающих по второму методу - это TCP и SPX. Именно поэтому эти протоколы используются в виде связанных наборов TCP/IP и IPX/SPX, в которых протокол более высокого уровня (TCP, SPX), рабо­тающий на базе протокола более низкого уровня (IP, IPX), гарантирует правильную доставку пакетов в требуемом порядке. Это позволяет объе­динить достоинства двух рассмотренных методов.

Протоколы IPX/SPX образуют набор, используемый в сетевых программ­ных средствах локальных сетей фирмы Novell (NetWare), которые в наше время являются одними из самых популярных. Это сравнительно неболь­шой и быстрый протокол, поддерживающий маршрутизацию. Приклад­ные программы могут обращаться непосредственно к уровню IPX, напри­мер, для посылки широковещательных сообщений, но значительно чаще работают с уровнем SPX, гарантирующим быструю и надежную достав­ку пакетов. Если скорость не слишком важна, то используется еще более высокий уровень, например Net BIOS, предоставляющий более удобный сервис. Фирмой Microsoft предложена своя реализация IPX/SPX, назы­ваемая NWLink.

Протокол TCP/IP специально разработан для глобальных сетей и для межсетевого взаимодействия. Он рассчитан на низкое качество каналов связи, на большую вероятность ошибок и разрывов связей. Этот прото­кол принят во всемирной компьютерной сети Internet, значительная часть абонентов которой подключается по коммутируемым линиям (то есть обычным телефонным линиям). Протокол TCP/IP также поддерживает маршрутизацию. На его основе работают протоколы более высоких уров­ней, такие как SMTP, FTP, SNMP. Недостаток протокола TCP/IP - низ­кая скорость работы.

Протокол Net BIOS (сетевая базовая система ввода/вывода) был разра­ботан фирмой IBM первоначально для сетей IBM PC Network и IBM Token-Ring no образцу системы BIOS персонального компьютера. С тех пор этот протокол стал фактическим стандартом (официально он не стан­дартизован), и многие сетевые операционные системы содержат в себе эмулятор Net BIOS для обеспечения совместимости. Первоначально Net BIOS реализовывал сеансовый, транспортный и сетевой уровни, од­нако в последующих сетях на более низких уровнях используются стан­дартные протоколы (например, IPX/SPX), а на долю эмулятора Net BIOS остается только сеансовый уровень. Net BIOS обеспечивает более высо­кий уровень сервиса, чем IPX/SPX, но он работает медленнее. Протокол NetBEUI - это развитие протокола Net BIOS до транспортного уровня.

Наконец, упоминавшийся набор протоколов OSI - это полный стек про­токолов, где каждый протокол точно соответствует конкретному уровню стандартной модели OSI. Набор содержит маршрутизируемые и транс­портные протоколы, серии протоколов IEEE 802, протокол сеансового уровня представительского уровня и несколько протоколов прикладного уровня. Пока широкого распространения этот набор протоколов не полу­чил, хотя он и полностью соответствует эталонной модели.