Компьютерные сети

1.

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ,
СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Санкт – Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»
Специальность: 09.02.07 «Информационные системы и программирование»
ОП.11 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
Преподаватель
Рожков А.И.
Санкт-Петербург 2024

2.

Лекция. Протоколы и стеки протоколов
План занятия:
1. Протоколы и стеки протоколов.
2. Структура стеков OSI, IPX/SPX, NetBios/SMB.
3. Стек протоколов TCP/IP. Его состав и назначение каждого протокола.

3.

1. Протоколы и стеки протоколов
Для того, чтобы конечные устройства могли взаимодействовать по
сети, каждое устройство должно соблюдать один и тот же набор
правил. Эти правила называются протоколами, и они имеют много
функций в сети.
Протокол - это набор соглашений, регулирующих способы
передачи данных по сети и способы интерпретации этих данных.
Учитывая пакетный способ передачи любых данных по сети Internet,
можно сказать, что
Протокол- это набор соглашений, регламентирующих способы
формирования, передачи и обработки информационных пакетов.

4.

Типы протоколов, которые необходимы для обеспечения связи
между одной или несколькими сетями.
Тип протокола
Описание
Сетевые протоколы
связи
Протоколы позволяют двум или более устройствам обмениваться данными по
одной или нескольким сетями. Семейство технологий Ethernet включает множество
протоколов, таких как IP, протокол управления передачей (TCP), протокол передачи
гипертекста (HTTP) и многие другие.
Протоколы сетевой
безопасности
Протоколы обеспечивают защиту данных, обеспечивая проверку подлинности,
целостность данных и шифрование данных. Примерами безопасных протоколов
являются Secure Shell (SSH), Secure Sockets Layer (SSL) и Безопасность
транспортного уровня (TLS).
Протоколы
маршрутизации
Протоколы позволяют маршрутизаторам обмениваться информацией о маршруте,
сравнивать информацию о пути и затем выбирать лучший путь к месту назначения.
Примеры протоколов маршрутизации включают Open Shortest Path First (OSPF) и
Border Gateway Protocol (BGP).
Протоколы
обнаружения служб
Протоколы используются для автоматического обнаружения устройств или
сервисов. Примеры протоколов обнаружения служб включают в себя протокол
динамической конфигурации хоста (DHCP), который обнаруживает службы для
распределения IP-адресов, и систему доменных имен (DNS), которая используется
для выполнения преобразования имен в IP-адреса.

5.

Функции согласованных протоколов для связи, которые
используют компьютеры и сетевые устройства.
Функция
Адресация
Надежность
Описание
Это идентифицирует отправителя и предполагаемого получателя сообщения используя
определенную схему адресации. Примеры протоколов, которые обеспечивают адресацию
включают Ethernet, IPv4 и IPv6.
Эта функция обеспечивает механизмы гарантированной доставки в случае потери или
повреждения сообщений при передаче. TCP обеспечивает гарантированную доставку.
Управление Эта функция гарантирует, что потоки данных с эффективной скоростью между двумя
процессами коммуникативными устройствами. TCP предоставляет службы управления потоком.
Эта функция уникально маркирует каждый передаваемый сегмент данных. Приемное
Последовате устройство использует информацию о последовательности для правильной сборки
льность
информации. Это полезно, если сегменты данных потеряны, отложены или получены не в
том порядке. TCP предоставляет службы последовательности.
Эта функция используется для определения, если данные были повреждены во время
Обнаружение
передачи. Различные протоколы, обеспечивающие обнаружение ошибок, включают Ethernet,
ошибок
IPv4, IPv6 и TCP.
Эта функция содержит информацию, используемую для межпроцессного взаимодействия
Интерфейс
между сетевыми приложениями. Например, при доступе к веб-странице протоколы HTTP
приложения
или HTTPS используются для связи между клиентскими и серверными веб-процессами.

6.

Информация в процессе передачи по сети подвергается нескольким
видам преобразований: из файлов формируются прикладные пакеты,
которые превращаются сначала в датаграммы, а затем в кадры и в
электрические сигналы.
При приеме цепочка превращений происходит в обратном порядке.
Причем за соответствие друг другу передаваемых и принимаемых
кадров отвечают одни протоколы, за соответствие передаваемых и
принимаемых датаграмм - другие, а за соответствие прикладных
пакетов - третьи.
Таким образом, и при передаче информации, и при ее приеме
должна действовать иерархически организованная структура
связанных между собой протоколов. Такая структура называется
стеком коммуникационных протоколов.
Стек
протоколов
показывает,
как
отдельные
протоколы
реализованы в одном наборе. Протоколы рассматриваются с точки
зрения уровней.

7.

Каждый более высокий уровень обслуживания зависит от
функций, определенных протоколами более низких уровней. Для
примера, мы можем использовать уровни для описания действий,
происходящих в нашем личном общении:
• на
нижнем,
физическом
уровне есть два человека,
каждый из которых может
произнести слова вслух.
• в середине находится уровень
правил, который определяет
требования общения, в том
числе, что должен быть
выбран общий язык.
• вверху находится уровень
контента, и именно здесь на
самом деле говорится о
контенте общения.

8.

2. Структура стеков OSI, IPX/SPX, NetBios/SMB
Набор протоколов представляет собой множество протоколов,
которые используются вместе для предоставления комплексных
сетевых сервисов. Начиная с 1970-х годов было несколько различных
пакетов протоколов, некоторые из которых были разработаны
организацией по стандартизации, а другие разработаны различными
поставщиками.
Во время эволюции сетевых коммуникаций и Интернета
существовало несколько конкурирующих пакетов протоколов, как
показано на следующем слайде.

9.

10.

В настоящее время в сетях используется большое количество стеков
коммуникационных протоколов. Рассмотрим некоторые из них: TCP/IP,
IPX/SPX, NetBIOS/SMB и OSI.

11.

1. Стек OSI.
Преимущества:
• стек OSI - международный, независимый от производителей
стандарт;
• стек OSI полностью соответствует модели OSI;
• протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровней стека
OSI
специфицированы
и
реализованы
различными
производителями, но распространены мало;
• довольно удачны и популярны прикладные протоколы: протокол
передачи файлов FTAM, протокол эмуляции терминала VTP,
протоколы справочной службы Х.500, электронной почты Х.400 и
ряд других;

12.

Недостатки:
• протоколы стека OSI отличает большая сложность и
неоднозначность спецификаций, т.к. разработчики стремились
создать универсальное средство на все случаи жизни;
• из-за своей сложности протоколы OSI требуют больших затрат
вычислительной мощности.

13.

2. Стек TCP/IP.
Преимущества:
• наиболее популярный в настоящее время стек протоколов;
• был разработан по инициативе Министерства обороны США. Этот
стек используется для связи компьютеров сети Internet, а также в
огромном числе корпоративных сетей;
• основными протоколами стека, давшими ему название, являются
протоколы IP и TCP. IP обеспечивает продвижение пакета по
составной сети, a TCP гарантирует надежность его доставки.
• стек TCP/IP вобрал в себя большое количество протоколов
прикладного уровня: FTP, telnet, SMTP, HTTP и многие другие.
• стек TCP/IP изначально создавался для глобальной сети Internet,
в связи с этим: способен фрагментировать пакеты, имеет гибкую
систему адресации и экономно использует возможности
широковещательных рассылок;

14.

Недостатки:
• мощные функциональные возможности протоколов стека TCP/IP
требуют для своей реализации высоких вычислительных затрат;
• гибкая система адресации и отказ от широковещательных
рассылок
приводят
к
наличию
в
IP-сети
различных
централизованных служб типа DNS, DHCP и т. п.

15.

3. Стек IPX/SPX.
Особенности:
• разработан фирмой Novell для сетевой операционной системы
NetWare;
• не требует большой вычислительной мощности;
• ориентирован на локальные сети небольших размеров. В
результате протоколы стека IPX/SPX до недавнего времени
хорошо работали в локальных сетях и не очень - в больших
корпоративных сетях, так как они слишком перегружали
глобальные связи широковещательными пакетами, которые
интенсивно используются несколькими протоколами этого стека
(например, установление связи между клиентами и серверами);
• с выпуском версии NetWare 4.0 Novell внесла и продолжает
вносить в свои протоколы серьезные изменения, направленные на
адаптацию для работы в корпоративных сетях.

16.

4. Стек NetBIOS/SMB.
Особенности:
• широко используется в продуктах компаний IBM и Microsoft;
• протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output System) появился в
1984 году как сетевое расширение стандартных функций базовой
системы ввода/вывода (BIOS) IBM PC для сетевой программы PC
Network фирмы IBM;
• после этот протокол был заменен так называемым протоколом
расширенного пользовательского интерфейса NetBEUI — NetBIOS
Extended User Interface;

17.

• для обеспечения совместимости приложений в качестве
интерфейса к протоколу NetBEUI был сохранен интерфейс
NetBIOS;
• протокол SMB (Server Message Block) выполняет функции
сеансового, представительного и прикладного уровней. На основе
SMB реализуется файловая служба, а также службы печати и
передачи сообщений между приложениями.

18.

3. Стек протоколов TCP/IP.
назначение каждого протокола
Его
состав
и
Стек TCP/IP – это набор иерархически упорядоченных сетевых
протоколов. Название стек получил по двум важнейшим
протоколам – TCP (Transmission Control Protocol) и IP (Internet
Protocol).
Помимо них в стек входят ещё несколько десятков различных
протоколов. В настоящее время протоколы TCP/IP являются
основными для Интернета, а также для большинства
корпоративных и локальных сетей.

19.

На рисунке показан пример трех протоколов TCP/IP, используемых
для отправки пакетов между веб-браузером хоста и веб-сервером.
HTTP, TCP и IP используются протоколы TCP/IP. На уровне доступа к
сети в примере используется Ethernet. Однако это также может быть
беспроводной стандарт, такой как WLAN или сотовая связь.

20.

Наиболее распространенные протоколы стека TCP/IP.

21.

TCP/IP обладает двумя важными свойствами:
• Открытый стандартный набор протоколов или открытость – это
означает, что он свободно доступен для общественности и может
быть использован любым поставщиком на их оборудовании или в их
программном обеспечении. Другими словами - доступностью
стандартов, по которым строится стек TCP/IP, любому
желающему;
• Набор
протоколов
на
основе
стандартов
или
платформонезависимость – это означает, что он был одобрен
сетевой индустрией и одобрен организацией по стандартизации.
Использование стандартов в разработке и реализации протоколов
гарантирует, что продукция от разных производителей будет
успешно взаимодействовать между собой. Другими словами возможность его реализации на самых разных операционных
системах и процессорах.

22.

Протоколы уровней TCP/IP
Уровень приложений:
1. Система доменных имен:
• Система доменных имен (DNS) - преобразует имена доменов,
например sut.ru, в IP-адреса.
2. Конфигурация хоста:
• DHCPv4 - протокол динамической настройки узлов. Сервер
DHCPv4 динамически назначает информацию адресации IPv4
клиентам DHCPv4 при запуске и позволяет повторно
использовать адреса, когда они больше не нужны.
• DHCPv6 - протокол динамической настройки узлов для
протокола IPv6. DHCPv6 похож на DHCPv4. Сервер DHCPv6
динамически назначает адресацию IPv6 клиентам DHCPv6 при
запуске.

23.

• SLAAC - Автоматическая конфигурация адреса без
сохранения состояния (Stateless Address Autoconfiguration,
SLAAC) Метод, позволяющий устройству получать информацию
об адресации IPv6 без использования сервера DHCPv6.
3. Электронная почта
• SMTP - простой протокол пересылки почты. Упрощенный
протокол передачи электронной почты, с помощью которого
клиенты отправляют электронную почту на почтовый сервер, а
серверы отправляют электронную почту на другие серверы.
• POP3 - протокол почтового отделения (Post Office Protocol
version 3, POP3) Позволяет клиентам получать электронную
почту с почтового сервера и загружать ее в локальное почтовое
приложение клиента.
• IMAP - протокол доступа к сообщениям в Интернете.
Позволяет
клиентам
получать
доступ
к
электронным
сообщениям, которые хранятся на почтовом сервере

24.

4. Передача файлов:
• FTP - Протокол передачи файлов. Устанавливает правила,
которые позволяют пользователю получать доступ к файлам на
других узлах и обмениваться ими по сети FTP - надежный
протокол доставки файлов с подтверждением и установлением
соединения
• SFTP - SSH протокол передачи файлов. Протокол передачи
файлов поверх SSH (SFTP) — SFTP является расширением
протокола Secure Shell (SSH) и может использоваться для
создания защищенного сеанса передачи файлов. SSH — это
метод безопасного удаленного входа, который обычно
используется для доступа к командной строке устройства.
• TFTP - простейший протокол передачи файлов. Простой
протокол передачи файлов без подключения с максимальными
усилиями,
неподтвержденными
доставкой
файлов.
Он
использует меньше накладных расходов, чем FTP

25.

5. Веб и Веб-Сервис:
• HTTP — Hypertext Transfer Protocol (протокол передачи
гипертекста). Задает правила обмена в Интернете текстом,
графическими изображениями, звуковыми, видео и другими
файлами мультимедиа по Интернету.
• HTTPS - Защищенный HTTP (HTTPS) Безопасная форма HTTP,
которая шифрует данные, которые обмениваются через
Интернет.
• REST - Representational State Transfer. Веб-служба,
использующая интерфейсы прикладного программирования (API)
и HTTP-запросы для создания веб-приложений.

26.

Транспортный уровень:
1. Протокол с установлением соединения:
• TCP - Протокол управления передачей. Обеспечивает
устойчивое взаимодействие между процессами, работающими на
разных хостах, и обеспечивает надежную передачу данных с
подтверждением успешной доставки.
2. Без установления соединения:
• UDP - Протокол пользовательских датаграмм. Позволяет
процессу, запущенному на одном узле, отправлять пакеты
процессу, запущенному на другом узле. Не подтверждает
успешную доставку датаграммы.

27.

Межсетевой (сетевой) уровень:
1. Протокол Интернета (Internet Protocol, IР):
• IPv4 - Интернет-протокол версии 4. Получает сегменты
сообщений из транспортного уровня, упаковывает сообщения в
пакеты и направляет пакеты для сквозной доставки по сети. IPv4
использует 32-разрядный адрес.
• IPv6 - Интернет-протокол версии
использует 128-битный адрес.
6.
Подобен
IPv4,
но
• NAT - преобразование сетевых адресов. Преобразует IPадреса частной сети в глобальные уникальные публичные IPадреса

28.

2. Обмен сообщениями:
• ICMPv4 - Протокол управляющих сообщений в Интернете
(Internet Control Message Protocol, ICMP). Обеспечивает
обратную связь от хоста назначения к исходному хосту, чтобы
сообщать об ошибках доставки пакетов
• ICMPv6 - ICMP для IPv6. Аналогичная функциональность
ICMPv4, но используется для пакетов IPv6.
• ICMPv6 ND - ICMPv6 протокол обнаружения соседей.
Включает четыре сообщения протокола, которые используются
для разрешения адресов и обнаружения повторяющихся
адресов.

29.

3. Протоколы маршрутизации:
• OSPF — открытый протокол предпочтения кратчайшего пути.
Протокол маршрутизации состояния связи, который использует
иерархическую структуру на основе областей. Это протокол
внутренней маршрутизации, являющийся открытым стандартом.
• EIGRP — усовершенствованный внутренний протокол
маршрутизации шлюзов, разработанный компанией Cisco,
который использует составной показатель, строящийся на
пропускной способности, задержке, нагрузке и надежности.
• BGP — протокол пограничного шлюза. Открытый стандартный
протокол маршрутизации внешнего шлюза, используемый между
Интернет-провайдерами (ISP). Протокол BGP также обеспечивает
обмен данными маршрутизации между интернет-провайдерами и
их крупными частными клиентами.

30.

Уровень сетевого доступа (канальный уровень):
1. Разрешение адресов:
• ARP - Протокол разрешения адресов. Обеспечивает
динамическое сопоставление между IP-адресами и аппаратными
адресами
2. Протокол канального уровня:
• Ethernet - проводная локальная сеть. Определяет правила для
стандартов прокладки кабелей и обмена сигналами на уровне
доступа к сети.
• WLAN - беспроводная локальная сеть. Определяет правила
беспроводной сигнализации на радиочастотах 2,4 ГГц и 5 ГГц.

31.

Контрольные вопросы
1. Что такое протоколы, их типы и функции?
2. Что такое стек протоколов?
3. Какие стеки коммуникационных протоколов используются в сетях?
4. Какой стек протоколов в настоящее время является основным для
Интернета, а также для большинства корпоративных и локальных сетей
и каковы его главные свойства?
5. Какие протоколы стека TCP/IP используются на каждом его уровне?