Практическая польза IP-технологий
Практическая польза IP-технологий
Технологии и средства связи
№5, 2012
Технологии IP сегодня осуществляют триумфальное шествие по всему миру, активно вытесняя другие технологии. Они поддерживают национальные и международные службы передачи данных, предоставляют пользователям возможность обмена различными видами трафика (данные, речевая и видеоинформация, мультимедийные приложения и т.д.). Редакция журнала «Технологии и средства связи» представляет видение экспертов рынка относительно развития Unified Communications.
— Является ли погоня за новомодными IP-технологиями тратой денег и времени или же IP-технологии принесут пользу предприятию?
Андрей Ковязин
— Я бы сказал, что переход ряда сервисов на IP — уже не просто тенденция, а свершившийся факт. Даже, казалось бы, такие традиционно самостоятельные технологии, как системы хранения данных и видеонаблюдение, в настоящее время широко используют IP-транспорт, предоставляя большую гибкость сервисов.
Евгений Куриленко
— Никакой прогресс в технологиях не может являться бесполезной тратой денег и времени. IP-технологии проникают, а если быть точным, то уже проникли, во все сферы коммуникационной инфраструктуры. Это не только дань новомодным веяниям, но и просто технологическая необходимость — ведь все современные платформы строятся на IP-технологиях и используют преимущества, которые они несут.
Алексей Садовский
— IP-технологии давно уже не являются диковинкой. Использование Интернета, базирующегося на IP-протоколах, давно уже вошло в нашу обычную жизнь. Мы входим в Интернет с домашнего компьютера, рабочего ноутбука, в дороге с планшета или смартфона. При всех своих недостатках IP-технологии в первую очередь дают всем, и бизнесу в частности, огромную гибкость и возможности быстрой реакции на изменяющиеся внешние условия.
Николай Школьников— В настоящее время наблюдается бурный рост IP-сегмента в корпоративной и частной телефонии. И во многом повышенный интерес связан с тем, что оборудование способствует эффективному сокращению расходов на связь и оптимизации бизнеспроцессов. В текущем году доля VoIP-трафика в совокупном тарифе дальней связи составила около 40%. Сейчас использовать IP для построения телефонных сетей стало экономически выгодно. Это связано с изменением тарифов и развитием инфраструктуры. Компании различных сфер бизнеса стали в большей степени интересоваться проектами на базе IP-АТС. Я бы также отметил рост спроса на IP-емкость среди наших клиентов. Panasonic представлен на российском рынке во всех сегментах рынка от SOHO до Enterprise. Возможности нашего оборудования позволяют реализовывать проекты в различных отраслях и различной степени сложности. Наши решения представлены в розничных сетях, банковском и государственном секторах. На сегодняшний день большинство наших сетевых проектов объемом свыше 100 АТС-решений реализовано именно на IP-оборудовании.
— Перечислите пожалуйста, основные преимущества IP-технологий. Какие именно IP-сервисы сейчас наиболее востребованы?
Алексей Жирнов
— Безусловно, в настоящее время подавляющее большинство сетей передачи данных (СПД) уже работает на основе протокола IP; исключение составляют лишь специфические нишевые СПД, например сети банковских мейнфреймов или сети специальных видов связи. Протокол IP является универсальным объединяющим элементом, который позволяет многочисленным разнородным приложениям (например, электронная почта, СУБД, автоматизированной управление технологическими процессами, пересылка файлов и, конечно же, унифицированные коммуникации) работать через коммуникационные системы самой разной природы (Ethernet, АТМ, домашние телефонные линии, спутниковые каналы и т.д.). Это свойство IP-сетей выражается девизом Everything over IP over Everything.
Андрей Ковязин
— Переход той или иной технолога на IP, конечно, несет в себе ряд преимуществ в виде единого транспорта для сервисов и, как следствие, консолидации оборудования передачи данных и сокращения точек управления, но и накладывает ограничения в виде более строгого соблюдения телеком-стандартов и определенной квалификации обслуживающего персонала.
Евгений Куриленко
— Основные преимущества IP-технологий состоят в масштабируемости решения и относительно простой реализации приложений и методов, работающих поверх IP. Важную роль играет распространение сетей — сейчас трудно представить не только офис, не оснащенный IP-сетью, но и домовые хозяйства, социальные учреждения, больницы, школы и т.д.
Потребность в технологиях возникает из специфики деятельности потребителя, очень трудно выбрать наиболее востребованные. Наиболее динамично растущая область — это видеоконференцсвязь как часть VoID-инфраструктуры. Популярны видеонаблюдение и другие системы безопасности, большинство из которых работают именно поверх IP. Не стоит забывать и об активно развивающихся облачных сервисах различного типа. Можно добавить, что все последние разработки в этой области проходят под знаком Unified Communication, что подразумевает использование всех сервисов под управлением единого интерфейса или платформы для оптимизации рабочего процесса или жизнедеятельности.
Алексей Садовский
— Главное преимущество — это, конечно же, универсальность транспортной среды для передачи любого типа информации. Следующим преимуществом является легкость включения новой локации в общую транспортную сеть. Следствием всего вышесказанного является то, что все больше аспектов деятельности человека переносится в цифровой вид. Самый распространенный IP-сервис в бизнесе — электронная почта, фактически она стала основным каналом деловых коммуникаций. Телефония тоже уходит в сеть. Сейчас уже практически не остается компаний с количеством абонентов от 100 человек, которые ставят себе традиционные телефонные станции, большая часть межоператорского телефонного трафика также уже несколько лет ходит в IP. Еще 5 лет и фиксированная связь станет таким же рудиментом, каким сейчас является телеграф, останутся IP- и мобильные конвергентные сети. Также внедрение ЭЦП (электронно-цифровых подписей) и совершенствование законодательства через те же 5 лет переведет большую часть документооборота в электронный вид. Это сильно сократит издержки бизнеса и увеличит скорость транзакций в десятки раз.
Николай Школьников
— По-прежнему основным фактором, определяющим выбор корпоративного заказчика в пользу использования IP, является сокращение расходов на связь. Следующими по значимости можно назвать оптимизацию бизнес-процессов за счет использования CTI-приложений, снижение загруженности телефонных линий и возможность централизованного управления, что особенно актуально для компаний с разветвленной структурой.
Среди наиболее востребованных сервисов стоит выделить: построение территориальнораспределенной телефонной сети с единым номерным планом, использование единых каналов для передачи данных и голоса, возможность создания удаленных рабочих мест. Набирает популярность использование различных приложений для оптимизации рабочих процессов, которые доступны всем сотрудникам компании, независимо от их территориального расположения. Это также касается создания call-центров.
— UC over IP — это лишь очередная ступень эволюционной лестницы коммуникаций?
Алексей Жирнов
— Унифицированные коммуникации — это собирательное название для приложений, создаваемых на стыке «мира компьютеров» и «мира телефонов». Организовать взаимодействие этих «миров» целесообразно, применяя средство, представляющее собой универсальный объединяющий элемент, которым протокол IP и является. Унифицированные коммуникации призваны ускорить и функционально обогатить процессы взаимодействия между сотрудниками. Внедрение унифицированных коммуникаций — это оптимизация бизнес-процессов — то есть того, когда, с какой скоростью и каким образом участники процесса обмениваются информацией между собой.
Следующей ступенью развития является совместная работа (так называемая collaboration), опирающаяся на технологии унифицированных коммуникаций и, как следствие, на IP. При этом средства для совместной работы расширяют концепцию унифицированных коммуникаций для обеспечения взаимодействия между организацией и ее партнерами.
Андрей Ковязин
— UC была одной из первых технологий, успешно мигрировавшей на IP, что подтверждается данными продаж во всем мире на протяжении последних нескольких лет, при этом физический уровень может быть разнообразным: от волоконной оптики до беспроводных технологий.
Евгений Куриленко
— Скорее, это ее венец. Трудно себе представить следующий этап после объединения всех сервисов в единое информационное пространство или единую платформу управления и взаимодействия.
Алексей Садовский
— Начиная 10 лет назад продавать на российском рынке call-центр на базе IP-технологий, многие компании часто сталкивались с недоверием и непониманием у клиентов, сейчас же использование IP является нормой в построении голосовых коммуникаций. То же касается и технологий UC — универсальность транспортной сети в итоге приведет и к унификации обмена обращениями. Мы постоянно на связи и дело только за совершенствованием инструментария для отслеживания доступности абонента по тем или иным каналам связи в конкретное время и унификации доставки сообщения по любому доступному каналу.
Николай Школьников
— Скорее, IP-ATC — это ступень эволюции. Унифицированные коммуникации представляет собой набор приложений, разработанных для оптимизации и позволяющих в полной мере раскрыть все возможности современного IP-оборудования.
— Согласны ли вы с тем, что IP-сети — основа для любых современных электронных корпоративных систем, начиная от телекоммуникаций и заканчивая комплексными системами безопасности7
Андрей Ковязин
— IP-сети — это еще один удобный способ повысить гибкость сервисов, при этом сократив ТСО, поэтому можно с уверенностью сказать, что процесс миграции на IP будет продолжаться и в обозримом будущем.
Евгений Куриленко
— Безусловно. IP-сети, как я уже говорил, есть повсюду, и в настоящий момент прогресс направлен на улучшение качества этих каналов и их быстродействие. Развиваются и беспроводные технологии — сейчас некоторые сети, например LTE, не сильно уступают по пропускной способности проводным. Это позволит пользоваться унифицированными коммуникациями везде: на работе, в дороге, на отдыхе и т.д.
Алексей Садовский
— Да. Наша жизнь — это постоянный обмен информацией, и ничего лучше, чем IP-сети, для ее передачи пока не придумали. Год от года технологии совершенствуются, каналы становятся все более широкими, позволяя передать по ним все более сложный контент.
Николай Школьников
— Безусловно, с развитием инфраструктуры и проникновением ШПД в России IP-сети становятся основой корпоративных коммуникаций. Использование IP-оборудования позволяет оптимизировать основные бизнес-процессы и повысить взаимодействие между сотрудниками компании. Это касается, например, использования видеоконференцсистем для проведения совещаний. На сегодняшний день многие руководители компаний убедились в том, что использование IP-оборудования является экономически обоснованным и безопасным с точки зрения защиты конфиденциальной информации.
7.8 Технология ip
Технология IP является основной сети Интернет и представляет собой набор протоколов, называемый стеком протоколов ТСР/IР, а протокол управления передачей IP – протоколом сети Интернет. Именно он реализует межсетевой обмен. Главным достоинством является то, что стек протоколов ТСР/IР обеспечивает надежную связь между сетевым оборудованием различных производителей. Протоколы стека TCP/IP описывают формат сообщений и указывают, каким образом следует обрабатывать ошибки, предоставляют механизм передачи сообщений в сети независимо от типа применяемого оборудования.
Стек протоколов ТСР/IР предоставляет пользователям две основные службы, которые используют прикладные программы: дейтаграммное средство доставки пакетов в сети и надежную транспортную среду с логическими соединениями между сетевыми элементами.
Основные преимущества стека протоколов ТСР/IР и технологии IP в целом, как сетевой технологии:
независимость от вида и технологии сетевого оборудования;
обеспечение всеобщей связанности элементов сети;
обеспечение подтверждений правильности передачи сообщений;
стандартные сетевые протоколы.
Стеку ТСР/IР предстоит еще долгое время быть базовым в корпоративных и глобальных сетях. Это обусловлено практически полным отсутствием новых приложений, способных работать самостоятельно поверх сетей ATM. В настоящее время наибольший прогресс достигнут в создании глобальных магистральных сетей на основе технологий IP поверх ATM и IP поверх SDH/СЦИ.
7.9 Технология Ethernet
Работа Ethernet предусмотрена на двух нижних уровнях модели OSI. Канальный уровень разделен на два подуровня. Первый из них – подуровень LLC (Logical Link Control – управление логическим соединением) ответственен за адресацию и управление каналом связи. Он не зависит от выбираемых топологии, среды передачи и метода управления доступом к среде передачи. Ниже LLC располагается подуровень МАС (Medium Access Control – управление доступом к среде).
Протокол LLC специфицирует механизмы адресации станций, подключенных к общей среде передачи, и управления процессом обмена данными между двумя пользователями. Устройствам, использующим протокол LLC, предоставляются три альтернативных варианта обслуживания:
Обслуживание без установления соединения и без квитирования. Это очень простой вариант обслуживания, без каких бы то ни было механизмов управления потоком и контроля ошибок. То есть доставка данных не гарантируется. Однако в большинстве случаев используется более высокий уровень программного обеспечения, занимающийся вопросами надежности.
Обслуживание с установлением соединения. Этот вариант обслуживания подразумевает установление логического соединения между двумя пользователями. Обеспечивается управление потоком данных и контроль ошибок.
Обслуживание без установления соединения, но с квитированием. Это сочетание первых двух вариантов обслуживания. Принимаемые пакеты квитируются, но соединение не устанавливается.
Протокол МАС осуществляет доступ к разделяемой среде передачи. Так как исходной топологией бала шинная, в любой момент времени передавать информацию мог лишь один пользователь. Простейшей формой управления доступом к среде передачи для локальных сетей с топологией общей шины является метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий). При использовании метода CSMA/CD станция, желающая передавать данные, сначала опрашивает несущую, чтобы определить, не ведет ли в данный момент передачу другая станция. Если несущая свободна, станция может начинать передачу. Достоинство данного алгоритма в его простоте. Логику этого протокола легко реализовать.
Были разработаны стандарты, предусматривающие разные типы среды передачи: коаксиальный кабель, симметричный кабель и оптическое волокно. Таким образом, технология Ethernet является довольно гибкой, предоставляя для пользователя определенную свободу в выборе физической среды передачи.
При увеличении скорости передачи данных коэффициент полезного действия сети с общей шиной снижается. В сети Ethernet, чтобы поддерживать высокую нагрузку, система должна состоять из отдельных сегментов. Коммутаторы Ethernet могут играть роль барьеров, разделяющих локальные сети на домены коллизий таким образом, чтобы коллизия в одном домене не затрагивала другие домены. Построение такой сети делает протокол доступа к среде передачи просто ненужным, а также позволяет перейти к полнодуплексному режиму передачи информации.
Увеличить скорости передачи данных в таких системах до 100 Мбит/с или даже до 1 Гбит/с оказалось проще, чем разрабатывать другой протокол и топологии. С точки зрения заказчика, относительно легко интегрировать старые системы, работающие на скорости 10 Мбит/с, с новыми системами, работающими на больших скоростях, если все системы имеют один и тот же формат кадра и поддерживают один и тот же протокол управления доступом. В связи с этим были разработаны новые технологии Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet. Успешное существование данного семейства технологий обязано ее совместимости с существующими сетями, простоте, гибкости и масштабируемости.
Данная технология не подходит для передачи по магистральным линиям связи, так как она изначально для этого не предназначалась. Также Ethernet не предусматривают методов управления и мониторинга транспортной сети. Потому в большинстве случаев используется преобразование Ethernet в SDH. Общая процедура такого преобразования (Generic framing procedure – GFP) описана в рекомендации G.7041 ITU-T. Процедура GFP обеспечивает адаптацию кадров Ethernet для передачи с использованием технологии SDH, тем самым для верхних уровней обеспечивается прозрачная передача данных по транспортной сети, как показано на рисунке 7.43.
Рисунок 7.43 – Связь между уровнями для технологий Ethernet и SDH
Передача кадров Ethernet по сети SDH позволяет получить необходимую транспортную сеть с коммутацией пакетов с сохранением надежности и управляемости сети. Однако некоторые мировые ведущие операторы связи в последнее время склоняются к использованию технологии Ethernet в качестве транспортной, тем самым исключается преобразование в SDH и более эффективно используется пропускная способность сети. Начался выпуск оборудования, которое предусматривает наличие функций эксплуатации, администрирования и обслуживания сети (Operations, Administration and Maintenance – OAM). Разработаны также некоторые стандарты, касающиеся реализации ОАМ (ITU-T Y.1730, IEEE 802.3ah), однако основная часть соответствующих стандартов все-таки еще находится в разработке.
Компьютерные сети от А до Я: стек протоколов TCP/IP
Стек протоколов TCP/IP – это альфа и омега Интернета, и нужно не только знать, но также понимать модель и принцип работы стека.
Предыдущая статья
Мы разобрались с классификацией, стандартами сетей и моделью OSI. Теперь поговорим о стеке, на базе которого построена всемирная система объединенных компьютерных сетей Интернет.
Изначально данный стек создавался для объединения больших компьютеров в университетах по телефонным линиям связи соединения «точка-точка». Но когда появились новые технологии, широковещательные (Ethernet) и спутниковые, возникла необходимость адаптировать TCP/IP, что оказалось непростой задачей. Именно поэтому наряду с OSI появилась модель TCP/IP.
Через модель описывается, как необходимо строить сети на базе различных технологий, чтобы в них работал стек протоколов TCP/IP.
В таблице представлено сравнение моделей OSI и TCP/IP. Последняя включает в себя 4 уровня:
- Самый нижний, уровень сетевых интерфейсов, обеспечивает взаимодействие с сетевыми технологиями (Ethernet, Wi-Fi и т. д.). Это объединение функций канального и физического уровней OSI.
- Уровень интернет стоит выше, и по задачам перекликается с сетевым уровнем модели OSI. Он обеспечивает поиск оптимального маршрута, включая выявление неполадок в сети. Именно на этом уровне работает маршрутизатор.
- Транспортный отвечает за связь между процессами на разных компьютерах, а также за доставку переданной информации без дублирования, потерь и ошибок, в необходимой последовательности.
- Прикладной объединил в себе 3 уровня модели OSI: сеансовый, представления и прикладной. То есть он выполняет такие функции, как поддержка сеанса связи, преобразование протоколов и информации, а также взаимодействие пользователя и сети.
Иногда специалисты пытаются объединить обе модели в нечто общее. Например, ниже приведено пятиуровневое представление симбиоза от авторов «Компьютерные сети» Э. Таненбаума и Д. Уэзеролла:
Модель OSI обладает хорошей теоретической проработкой, но протоколы не используются. С моделью TCP/IP все иначе: протоколы широко используются, но модель подходит исключительно для описания сетей на базе TCP/IP.
Не путайте их:
- TCP/IP – это стек протоколов, представляющий собой основу Интернета.
- Модель OSI (Базовая Эталонная Модель Взаимодействия Открытых Систем) подходит для описания самых разных сетей.
Рассмотрим каждый уровень более подробно.
Нижний уровень сетевых интерфейсов включает в себя Ethernet, Wi-Fi и DSL (модем). Данные сетевые технологии формально не входят в состав стека, но крайне важны в работе интернета в целом.
Основной протокол сетевого уровня – IP (Internet Protocol). Это маршрутизированный протокол, частью которого является адресация сети (IP-адрес). Здесь также работают такие дополнительные протоколы, как ICMP, ARRP и DHCP. Они обеспечивают работу сетей.
На транспортной уровне расположились TCP – протокол, обеспечивающий передачу данных с гарантией доставки, и UDP – протокол для быстрой передачи данных, но уже без гарантии.
Прикладной уровень – это HTTP (для web), SMTP (передача почты), DNS (назначение IP-адресам понятных доменных имен), FTP (передача файлов). Протоколов на прикладном уровне стека TCP/IP больше, но приведенные можно назвать самыми значимыми для рассмотрения.
Помните, что стек протоколов TCP/IP задает стандарты связи между устройствами и содержит соглашения о межсетевом взаимодействии и маршрутизации.
Следующая статья
Модель стека протоколов TCP/IP и ее особенности. Уровни модели TCP/IP и принципы их работы.
Привет, посетитель сайта ZametkiNaPolyah.ru! Продолжаем изучать основы работы компьютерных сетей, напомню, что эти записи основаны на программе Cisco ICND1 и помогут вам подготовиться к экзаменам CCENT/CCNA. Продолжаем разговор об эталонных моделях и на этот раз мы рассмотрим модель, которая была разработана путем практических наработок, эта модель называется модель стека протоколов TCP/IP, она похожа на модель OSI 7, но имеются и свои отличия, которые довольно значительны и их стоит обсудить, а также обозначить.
Помимо разбора самой модели TCP/IP в общем и целом, а также каждого уровня этой модели в отдельности, которых кстати четыре, мы сделаем сравнение эталонной модели OSI 7 и модели стека протоколов TCP/IP, чтобы понять какими недостатками и преимуществами обладают эти концепции передачи данных, в завершении мы выведем компромиссную модель передачи данных, которая будет включать в себя преимущества обеих упомянутых концепций.
Перед началом я хотел бы вам напомнить, что ознакомиться с опубликованными материалами первой части нашего курса можно по ссылке: «Основы взаимодействия в компьютерных сетях».
1.15.1 Введение
Содержание статьи:
Ранее мы рассмотрели модель OSI 7 и уделили особое внимание той ее части, за которую отвечает сетевой инженер. Также в блоге есть отдельная публикация, где эталонная модель сетевого взаимодействия рассмотрена более подробно. Мы отмечали, что модель OSI 7 была разработана теоретиками и имеет огромное количество сложных протоколов, которые так и не были реализованы на практике.
Давайте теперь взглянем на модель, которая была разработана практиками и протоколы которой применяются в реальных компьютерных сетях, эта модель называется модель стека протоколов TCP/IP, я уверен, что эти протоколы вы уже слышали и каждый день ими пользуетесь, даже не зная того. До этих протоколов мы еще доберемся, сейчас рассмотрим саму модель.
1.15.2 Общий принцип работы модели стека протоколов TCP/IP
Общий принцип работы модели стека протоколов TCP/IP очень похож на принцип работы модели OSI 7, разница только в количестве уровней и их функционале. Думаю, что не будет лишним отметить следующее (тут многие могут со мной согласиться): модель OSI 7 более полно описывает взаимодействие компьютерной сети с точки зрения логики ее работы, но ее протоколы абсолютно не прижились в современных реалиях, а модель стека протоколов TCP/IP описывает компьютерную сеть не так полно, зато ее протоколы используются повсеместно.
Вообще модель TCP/IP более удобна для сетевого инженера, здесь более четко описаны его границы ответственности. Давайте посмотрим на структуру модели TCP/IP, которая показана на Рисунке 1.15.1.
Рисунок 1.15.1 Модель стека протоколов TCP/IP
Как видим, отличие модели TCP/IP от OSI 7 заключается в количестве уровней, у эталонной модели их семь, в модели стека протоколов их четыре. В модели TCP/IP объединены первых два уровня модели OSI 7 (канальный и физический), здесь первый уровень называется уровень доступа к сети или канальный уровень. На уровне доступа к сети в модели сетка протоколов TCP/IP работают такие технологии и протоколы как: Ethernet, который есть практически в каждой локальной сети, IEEE 802.11 (Wi-Fi), PPP, в общем и целом на первом уровне модели стека протоколов TCP/IP реализуется функционал физического и канального уровней модели OSI 7.
Второй уровень модели TCP/IP соответствует третьему уровню модели OSI 7, в разных источниках вы можете встретить разные названия третьего уровня: уровень сети Интернет, сетевой уровень, межсетевой уровень. Можно сказать, что это основной и самый интересный для сетевого инженера уровень. Так как на этом уровне определяется логическая адресация узлов сети Интернет и, по сути, этот уровень является конечным для сетевого оборудования, за взаимодействие компьютеров на более высоких уровнях уже отвечают конечные устройства: клиентское и серверное оборудование.
Третий уровень модели TCP/IP имеет такое же название, как и в модели OSI – Транспортный уровень, правда в модели OSI этот уровень в порядке нумерации идет четвертым. Транспортный уровень отвечает за надёжность передачи для конечных устройств поверх ненадежной компьютерной сети, в которой в любой момент могут возникать самые разные проблемы. К тому же транспортный уровень помогает различать компьютерам следующее: какой трафик какое приложение генерирует и какому приложению предназначены те или иные пакеты, это возможно благодаря сокетам. На транспортном уровне для нас будут интересны два протокола: TCP, который обеспечивает надежную передачу с установкой соединения, этот протокол используется для передачи данных типа текст, файлов и так далее, а также протокол UDP, этот протокол без установки соединения и используется он для передачи данных в системах реального времени: аудио и видео связь. Про работу служб с установлением соединения и без вы можете узнать из записи, опубликованной ранее.
Ну а на самом верху модели TCP/IP находится уровень приложений или прикладной уровень, который отвечает за взаимодействие с конечным пользователем. Этот уровень модели TCP/IP включает в себя сразу три уровня модели OSI 7 (сеансовый, представительский и прикладной уровни), что на самом деле очень удобно как для программистов и разработчиков, так и для сетевых инженеров. Программист может писать приложения, не задумываясь об уровнях, сосредоточившись на своих абстракциях, а сетевому инженеру многие вещи верхних уровней просто неинтересны, но об этом чуть позже.
1.15.3 Первый уровень модели TCP/IP или уровень доступа к сети
Первый уровень – это фундамент компьютерной сети, поверх которого строится вся логика взаимодействия. Пожалуй, основной недостаток модели стека протоколов TCP/IP заключается в том, что физический и канальный уровень модели OSI здесь объединены в один под названием уровень доступа к сети или канальный уровень. На мой взгляд, нужно отделять физические процессы, происходящие на первом уровне от логики, которая реализована в канале связи на втором уровне. Хотя тут могут быть возражения в следующем ключе: такие популярные технологии как Ethernet и IEEE 802.11 в контексте модели OSI 7 работают на двух уровнях (канальном и физическом), тогда как в контексте модели TCP/IP эти технологии реализуют свой функционал на одном уровне – уровне доступа.
Итак, на уровне доступа модели TCP/IP решаются физические вопросы, связанные с передачей сигнала в различных средах:
- максимальный и минимальный допустимые уровни сигнала в среде передачи данных: если с минимальным все более-менее очевидно, то с максимальным немного поясню: с усилением полезного сигнала усиливаются и помехи;
- какой уровень сигнала нужно принимать за логический ноль (логический ноль – это не отсутствие сигнала), а какой уровень сигнала будет считаться логической единицей;
- на физическом уровне определяются технические и конструктивные требования к среде передачи данных, например, если передача по медной линии, то тут можно выделить сетевые интерфейсы типа RJ-45 и RJ-11 или, например, витая пара или коаксиальный кабель;
- данные в чистом виде никогда не передаются по сети, по сети передаются два объединенных сигнала: полезный сигнал с данными (его еще называют модулирующий) и несущий сигнал, процесс объединения этих двух сигналов называется модуляцией, более подробно об этом читайте в книгах, указанных в самой первой теме.
На самом деле этот список можно было продолжать, но для темы нашего курса физический уровень не так важен, так как разработчики сетевого оборудования уже решили за нас все самые сложные аспекты, касающиеся физики передачи данных, нам лишь придется оперировать простыми параметрами, о которых мы поговорим, когда коснемся технологий Ethernet и Wi-Fi.
Уровень доступа к сети в модели TCP/IP включает в себя еще и функционал канального уровня эталонной модели. Собственно, разработчики модели TCP/IP считают канальные функции более важными, и они правы с точки зрения логики процесса передачи данных. Вообще на уровне доступа решается задача кодирования данных для их передачи по физической среде, также на этом уровне реализуется адресация, при помощи которой коммутаторы понимают: какому устройству какой кадр отправить, эти адреса называются мак-адресами, если говорить про Ethernet сети.
Вообще, если говорить про названия единиц передачи данных на уровне доступа в модели TCP/IP, то здесь используются кадры (общую информацию о единицах измерения в компьютерной сети вы можете получить из этой публикации), которые получаются путем логического объединения битов в последовательности. Например, если говорить про Ethernet, то его заголовок, как минимум, будет содержать мак-адрес назначения, мак-адрес источника, тип вышестоящего протокола, а также специальное поле для проверки целостности данных.
Можно выделить следующие протоколы и технологии, которые работают на канальном уровне модели TCP/IP: Ethernet, IEEE 802.11 WLAN, SLIP, Token Ring, ATM. Первым двум мы выделим по целой части, так как в локальных сетях вы будете чаще всего сталкиваться именно с ними.
Еще на канальном уровне реализуется механизм обнаружения и исправления ошибок при помощи специальных кодов, очень подробно про канальные коды рассказано в книге Бернарда Скляра «Цифровая связь», здесь мы на них не останавливаемся. Из физических устройств, работающих на уровне доступа к сети можно выделить (дополнительно можете почитать про основные физические компоненты компьютерной сети): усилители сигнала, преобразователи сигнала (SFP-модули, медиаконвертеры и т.д.), ретрансляторы, хабы, концентраторы, радио антенны, а также коммутаторы уровня L2, которые будет представлять для нас наибольший интерес, так как их можно и нужно настраивать и у них есть различные по своей полезности механизмы для защиты сети и обеспечения надежности передачи данных.
1.15.4 Второй уровень или уровень сети Интернет
Второй уровень модели TCP/IP называется уровнем сети Интернет, сетевым или межсетевым уровнем. Это один из самых важных уровней для сетевого инженера, так как именно здесь работает протокол IP, отвечающий за логическую адресацию в компьютерных сетях и в сети Интернет, если говорить о частностях. Непосредственно протоколу IP мы уделим целых две части, сначала мы поговорим про версию IPv4, а затем разберемся с версией протокола IPv6. Также на этом уровне работают протоколы динамической маршрутизации, в этом курсе мы разберемся с протоколом RIP, который очень прост, но уже практически нигде не используется. А если будет продолжение, то мы еще будем разбираться с такими замечательными протоколами динамической маршрутизации, как OSPF и EIGRP.
Также на сетевом уровне модели TCP/IP работает такой протокол как NAT, отвечающий за магию превращения (трансляцию) частных IP-адресов в публичные, которые маршрутизируются в сети Интернет. Вообще, этот уровень разрабатывался для того, чтобы появилась возможность взаимодействия между двумя независимыми сетями. Основным физическим устройством уровня сети Интернет является маршрутизатор, который определяет куда направить пакет по IP-адресу, находящемуся в заголовке IP-пакета, для этого маршрутизатор использует маски, а также в этом ему помогают протоколы динамической маршрутизации, при помощи которых один роутер рассказывает о известных ему IP-адресах другому роутеру.
Вообще, как я уже говорил, мы будем разбираться с протоколом IP и IP-адресами в дальнейшем, сейчас же стоит отметить, что есть так называемый мультикаст трафик и специальные IP-адреса, если нужен пример использования, то это IPTV (вот здесь вы можете немного узнать о видах сетевого взаимодействия и сетевого трафика). Так вот для работы с мультикаст IP-адресами используются такие протоколы как IGMP и PIM, которые мы не будем затрагивать в рамках этого трека, но упомянуть о них стоит. Вообще, протоколов сетевого уровня достаточно много, самые важные для нас на данном этапе мы уже перечислили, однако не упомянули протокол ARP, который помогает определить мак-адрес по известному IP-адресу, этот протокол работает между канальным и сетевым уровнем.
На межсетевом уровне единица измерения данных или PDU называется пакетом, хотя об этом вы уже догадались, когда я использовал слово IP-пакет. При этом структура заголовка IP-пакета в IPv4 достаточно сильно отличается от структуры пакета в IPv6, как и сами IP-адреса этих протоколов.
Стоит еще добавить, что настройки, производимые на сетевом уровне модели TCP/IP влияют на логику работу компьютерной сети, то есть на ее логическую топологию, в то время как действия выполняемые на первом уровне влияют на физическую топологию компьютерной сети.
1.15.5 Третий или транспортный уровень стека протоколов TCP/IP
Транспортный уровень в современных компьютерных сетях в сущности представлен двумя протоколами: TCP и UDP. Первый большой и толстый, в основном используется для передачи текстовых данных и файлов по сети, второй маленький, тонкий и очень простой и используется для передачи аудио и видео данных по сети. У протокола TCP есть механизм повторной передачи битых или потерянных данных, у UDP такого механизма нет. Принципиальных отличий у этих двух протоколов много, но самое важное отличие заключается в том, что у TCP есть механизм установки соединения, а вот у UDP такого механизма нет.
Вообще, протоколы транспортного уровня должны обеспечить надежное соединение поверх ненадёжной компьютерной сети, на которой в любой момент может произойти авария, или же где-то, на каком-то участке сети, могут быть потери. Механизмы транспортного уровня реализуются на конечных компьютерах, будь то сервер или клиент, в зависимости от типа конечного устройства немного изменяется его логика работы на транспортном уровне.
Если говорить про протокол TCP, то данные передаваемые по сети при помощи этого протокола называются сегментами, а вот у данных, передаваемых по сети при помощи протокола UDP имеется другое название – датаграммы/дейтаграммы, кому как удобно, второй вариант я использую чаще. Транспортный уровень гарантирует целостность и правильность поступления данных на конечных устройствах, а также помогает компьютерам разобраться кому какие данные принадлежат, работает это примерно так (смотрите на Рисунок 1.15.2): какому-либо приложению назначается определенный TCP/UDP порт или же этот порт генерируется динамически, допустим со стороны клиента этот порт был сгенерирован динамически, а со стороны серверов порт был задан разработчиками или же системным администратором вручную (если интересно, то вот здесь описан принцип взаимодействия клиент-сервер).
Рисунок 1.15.2 Сильно упрощенная схема взаимодействия на транспортном уровне
Итак, получаем, что у клиентского ПК IP-адрес: 192.168.2.3, а также клиентский ПК выдал клиентскому приложению порт с номером 23678 для установки соединения с первым сервером (пусть приложением будет браузер), а для установки со вторым сервером браузер получил порт 23698. Клиентский ПК делает запросы к веб-серверам, находящимся в одной сети с клиентом: у первого сервера IP-адрес: 192.168.2.8, а у второго: 192.168.2.12, при этом порт серверного приложения как в первом, так и во втором случае одинаковый – 80, также хочу обратить внимание на то, что клиентский ПК сообщает серверам разные порты, на которые нужно слать ответы. Таким образом, если клиентский компьютер хочет сделать запрос к первому серверу, то он использует примерно следующую конструкцию для запроса: 192.168.2.8:80, это означает, что запрос был послан машине с IP-адресом 192.168.2.8 на 80 порт, сервер же пошлет ответ, используя вот такую конструкцию 192.168.2.3:23678. Если же запрос идет на 192.168.2.12:80, то ответ будет передан на 192.168.2.3:23698.
Таким образом происходит разделение трафика и компьютер не путается. Вообще, это описание предельно упрощено, более подробно мы будем говорить о протоколах транспортного уровня в отдельной части, так как эта тема довольно большая и требует отдельного разговора, кстати сказать, в курсах Cisco ICND1 и ICND2 достаточно мало времени уделено транспортному уровню. Здесь же стоит добавить что комбинация IP-адрес + порт транспортного уровня обычно называется сокетом, при этом не имеет значения протокол транспортного уровня (TCP или UDP).
За работу транспортного уровня отвечает компьютер и его операционная система или же специальная сетевая библиотека на этом компьютере, к которой может обращаться любое приложение, желающее передавать или получать данные.
1.15.6 Четвертый уровень или уровень приложений
Четвертый уровень модели TCP/IP представляет наименьший интерес для сетевого инженера, этот уровень создают и обслуживают: программисты, системные администраторы, devops-инженеры, хотя на уровне приложений есть несколько протоколов, которые важны и нужны сетевому инженеру. Вообще, основная задача прикладного уровня заключается в том, чтобы предоставить пользователю удобный интерфейс для взаимодействия с компьютерами и компьютерными сетями, но это если говорить коротко.
Пожалуй, самым известным протоколом уровня приложений является протокол HTTP, который используют ваши браузеры для того, чтобы получить данные с того или иного сайта в сети Интернет. Протокол HTTP работает по схеме клиент-сервер, как и многие другие подобные протоколы, взаимодействием в протоколе HTTP управляет клиент, который отправляет специальные HTTP сообщения, так называемые запросы, а сервер, получив это сообщение, анализирует его и дает клиенту свои сообщения, которые называются ответами, вообще, если тема вам интересна, то у меня блоге вы найдете рубрику, по протоколу HTTP.
Из важных для сетевого инженера протоколов на четвертом уровне находятся:
- DHCP – протокол, позволяющий динамически выдавать клиентским машинам IP-адреса и другие данные для подключения к сети;
- DNS – этот протокол придумали люди с дырявой памятью, которые не хотели запоминать IP-адреса, DNS позволяет преобразовывать IP-адреса в доменные имена сайтов и наоборот, для практики можете разобраться с командой nslookup;
- SNMP – протокол, который используется во всех системах управления и мониторинга компьютерных сетей;
- SSH – протокол для безопасного удаленного управления, при использовании SSH данные шифруются;
- Telnet – еще один протокол удаленного управления, этот протокол реализует простой текстовый сетевой интерфейс.
Вообще этот список можно продолжить, но пока этого нам достаточно. В рамках курса мы разберемся как подключаться к коммутаторам и маршрутизаторам при помощи протоколов Telnet и SSH, научимся управлять соединениями и его параметрами, также мы немного разберемся с протоколами DHCP и DNS, возможно, в дальнейшем знакомство будет продолжено, а вот протокол SNMP мы трогать не будем.
Также стоит отметить следующие протоколы, относящиеся к прикладному уровню модели стека протоколов TCP/IP: RDP для удаленного управления компьютером, SMPT, IMAP, POP3 это всё почтовые протоколы для реализации разного функционала, FTP и SFTP это протоколы для передачи файлов по сети, первый использует протокол TCP, а второй более простой использует UDP.
Список протоколов на прикладном уровне очень велик и перечислять их все не имеет смысла. На четвертом уровне уже нельзя выделить отдельных аппаратных средств, так как задачи уровня приложений решаются программным способом, а в качестве PDU, то есть единиц измерения, выступают просто данные, которые могут выглядеть тем или иным образом в зависимости от приложения, которое работает, обрабатывает или передает данные.
1.15.7 Сравнение моделей OSI 7 и TCP/IP, а также поиск компромисса
Прежде чем перейти к сравнению моделей OSI 7 и TCP/IP, нам следует сказать, что модель стека протоколов TCP/IP использовалась для создания сети ARPANET, которая спустя годы превратилась в тот Интернет, которым мы пользуемся, сеть ARPANET – была исследовательской сетью, финансируемой министерством обороны США, эта сеть объединила сотни университетов и правительственных зданий в единую систему передачи данных при помощи телефонных линий, но с развитием технологий появилась спутниковая связь, радиосвязь, связь при помощи оптических линий и появились проблемы с передачей данных во всем этом зоопарке, разработка моделей передачи данных должна была решить возникшие проблемы и в принципе задача была решена.
Давайте же теперь попробуем сравнить эталонную модель сетевого взаимодействия OSI 7 с моделью стека протоколов TCP/IP и посмотрим, чем практическая модель отличается от теоретической. Для начала обратите внимание на Рисунок 1.15.3.
Рисунок 1.15.3 Сравнение эталонных моделей передачи данных TCP/IP и OSI 7
Слева показана эталонная модель сетевого взаимодействия, а справа вы видите модель стека протоколов TCP/IP. Сначала очевидные вещи: физический и канальный уровень модели OSI 7 соответствует уровню доступа к сети в модели TCP/IP, сетевой и транспортный уровень у обеих моделей совпадают, а вот три верхних уровня модели OSI соответствуют прикладному уровню модели TCP/IP.
Сразу отметим, что функциональность уровней этих моделей во многом схожа, а вот протоколы двух этих моделей очень разнятся, стоит заметить, что протоколы модели OSI 7 так и не были реализованы или же не получили широкого практического применения, поэтому их мы не упоминаем. Вообще, данной теме люди посвящают целые книги, мы же попробуем уложиться побыстрее.
В основе модели OSI 7 лежат три важных объекта: протокол, интерфейс и служба, модель OSI 7 четко выделяет эти три концепции и подчеркивает, что это совершенно разные вещи. Сервис или служба определяют то, что именно делает тот или иной уровень, но он никак не описывает каким образом это все происходит, другими словами сервис описывает услугу, которую нижележащий уровень предоставляет вышестоящему уровню, но он не говорит как это делается и как вообще третий уровень получает доступа ко второму, а второй к первому.
Интерфейс в эталонной модели рассказывает и описывает то, как верхний уровень может получить доступ к услугам нижележащего уровня. Интерфейс описывает требуемые входные параметры, а также то, что должно получиться на выходе, но, как и сервис, интерфейс ничего не рассказывает о интимных вещах, которые происходят внутри него.
И наконец протоколы, которые еще называют равноранговыми протоколами, поскольку они описывают то, как взаимодействуют устройства на конкретном уровне, являются инструментами конкретного уровня, каждый протокол использует для решения каких-либо конкретных задач. При этом сам уровень для решения той или иной задачи волен выбирать протокол по своему усмотрению и даже изменять этот протокол, при этом не происходит никаких изменений на более высоких уровнях, об этом мы говорили, когда разбирались с декомпозицией задачи сетевого взаимодействия.
А вот в первоначальном виде модели стека протоколов TCP/IP не было таких четких границ между тремя вышеописанными сущностями, поэтому реализация протоколов здесь скрыта хуже, чем в модели OSI 7, да и замена одного протокола на другой может происходить более болезненно, чем в модели OSI 7, в общем, на практике не все так гладко.
Еще одним важны отличием моделей TCP/IP и OSI 7 является то, что эталонная модель OSI 7 была разработана раньше, чем ее протоколы появились на бумаге. С одной стороны, это говорит про универсальность модели передачи данных, но с другой стороны: универсальные вещи хуже решают конкретные задачи. Например, простым кухонным ножом можно открыть банку сгущенки, но это гораздо удобнее сделать специальным консервным ножом. Отсюда и основные проблемы эталонной модели: у разработчиков модели OSI не было четкого понимания того, какие функции на каком уровне должны быть реализованы.
Также модель OSI изначально не была рассчитана на то, что когда-нибудь появятся широковещательные сети. Передача данных в сетях, построенных на принципах модели OSI 7, велась от узла к узлу, с вероятностью 99% ваша домашняя сеть и сеть вашего поставщика услуг доступа в Интернет широковещательная. Поэтому разработчикам пришлось вносить коррективы, добавив новый подуровень в модель OSI. Городульки в модели OSI не закончились на канальном уровне, когда на основе модели OSI 7 начали реализовывать первые компьютерные сети, оказалось, что существующие протоколы не соответствуют спецификациям служб, поэтому в модель были добавлены дополнительные подуровни для устранения несоответствия. И в заключении: при разработке модели OSI 7 не был учтен момент интеграции и объединения нескольких небольших сетей в одну большую, предполагалось, что в каждой стране будет одна большая единая сеть, находящаяся под управлением государства.
В TCP/IP все вышло ровным счетом наоборот: сначала были придуманы и реализованы протоколы этой модели, а затем появилась необходимость в том, чтобы создать модель, которая описывает сетевое взаимодействие с использованием этих протоколов. Таким образом протоколы модели стека TCP/IP четко соответствуют уровням и функциям этих уровней. Единственный минус, этот минус не такой значительный для современного мира, заключается в том, что модель стека протоколов TCP/IP не соответствует никаким другим моделям. Минус незначительный, так как большинство компьютерных сетей построены на основе модели TCP/IP и ее протоколов.
Еще одно важное отличие моделей TCP/IP и OSI 7 кроется на сетевом и транспортном уровнях. Модель TCP/IP на сетевом уровне реализуется связь без установления соединения при помощи протокола IP, а на транспортном уровне предлагает два протокола: UPD и TCP. А вот модель OSI 7 предлагает инженерам выбор на сетевом уровне: можно выбрать связь с установлением соединения или без него, а на транспортном уровне есть один протокол, который поддерживает связь только с установлением соединения.
Можно выделить четыре основных пункта, из-за которых критикуют эталонную модель сетевого взаимодействия:
- Несвоевременность.
- Неудачная технология.
- Неудачная реализация.
- Неудачная политика распространения.
Этим мы и ограничимся и перейдем к основным недостаткам модели TCP/IP. Во-первых, модель стека протоколов TCP/IP не проводит четких границ между службами, интерфейсами и протоколами, поэтому в модель TCP/IP не всегда легко вписать новые протоколы и технологии. Второй недостаток заключается в том, что при помощи модели TCP/IP можно описать не все сети и не все технологии, например, вы не сможете достаточно полно описать технологию Bluetooth при помощи модели TCP/IP.
Канальный уровень модели TCP/IP на самом деле никакой не уровень и всё, что было описано выше про канальный уровень модели TCP/IP в большей степени подходит для физического и уровня передачи данных модели OSI 7, а не для первого уровня модели TCP/IP. На самом деле канальный уровень модели TCP/IP – это даже не уровень, а интерфейс, позволяющий взаимодействовать сетевому уровню с физической средой передачи данных из этого следует и то, что здесь нет различия между физическим уровнем и канальной логикой, хотя это абсолютно разные вещи.
Итак, из всех вышеописанных недостатков модели TCP/IP для инженеров, обеспечивающих передачу данных по сети, самым важным недостатком является то, что фундаментальный, то есть первый уровень этой модели вовсе никакой не уровень, а интерфейс, а также то, что нет деления на физику и канальную логику. Исходя из этого, а также из того, что модель TCP/IP используется для построения большинства компьютерных сетей, мы можем сделать свою компромиссную модель, которая устранит вышеописанный недостаток и будет удобной для сетевого инженера, эта модель показана на Рисунке 1.15.4.
Рисунок 1.15.4 Компромиссная модель сетевого взаимодействия
Итак, эта модель разделяет уровень доступа к сети на два уровня: физический уровень, описывающий физические параметры среды передачи данных и ее свойства, и канальный уровень, который призван решать задачу объединения бит в кадры, логическое деление ресурсов физической среды, объединение нескольких компьютеров в сеть и надежность передачи данных. Естественно, что эта модель в качестве протоколов должна использовать протоколы модели TCP/IP.
Ее сетевой уровень должен решать задачи объединения нескольких небольших сетей в одну большую. А транспортный уровень должен увеличивать надежность передачи данных по сети, организуя туннельное соединение между конечными участниками обмена данных. Ну а на самом верхнем уровне решаются задачи взаимодействия пользователей с ПК и компьютерной сетью.
1.15.8 Выводы
Подводя итог разговору у модели передачи данных, которая называется модель стека протоколов TCP/IP следует отметить, что в отличие от модели OSI 7, данная модель сформировалась уже после того, как были разработаны и введены в реальный мир ее протоколы и на данные момент большинство компьютерных сетей работают именно по модели стека протоколов TCP/IP. У этой модели есть два минуса: первый заключается в том, что здесь нет четкой границы между протоколом и службой, вторым недостатком является то, что в модели TCP/IP нет явного деления на канальный и физический уровень, здесь канальный уровень представляет собой интерфейс между сетевым уровнем и средой передачи данных.
Второй минус легко исправить самостоятельно, выработав для себя компромиссную модель передачи данных, где есть деление на физический и канальный уровень. Также стоит сказать, что для сетевого инженера наличие на верху модели TCP/IP только прикладного уровня – это скорее плюс, чем минус, формально говоря, в задачи сетевого инженера не входит настройка пользовательских приложений, работающих с сетью, это должны делать системные администраторы, задача сетевого инженера заключает в том, чтобы обеспечить канал связи между точкой А и Б, то есть выполнить необходимые настройки на оборудование, которое работает на уровня от физического до транспортного, модель TCP/IP это демонстрирует четко.
Еще в этой теме мы разобрались с тем, что происходит на каждом из важных для нас уровней модели TCP/IP и посмотрели, что происходит с данными, когда они переходят с одного уровня на другой, нужно запомнить этот принцип, так как его мы уже увидим в действие, когда будем разговаривать о принципах работы роутеров, тогда мы увидим, что роутер, оперирующий IP-пакетами, для того чтобы до них добраться, распаковывает Ethernet кадр, а после обработки IP пакета роутер его упаковывает в кадр и отправляет дальше.