Комп’ютерні мережі та телекомунікації

• адреса повинна унікально ідентифікувати комп’ютер у мережі будь-якого масштабу;
• схема призначення адрес має зводити до мінімуму ручну працю адміністратора й імовірність дублювання адрес;
• адреса повинна мати ієрархічну структуру, зручну для побудови великих мереж. Цю проблему добре ілюструють міжнародні поштові адреси, які дають змогу поштовій службі, що організує доставку листів між країнами, скористатися лише назвою країни адресата і не враховувати назву його міста, а тим паче вулиці;
• адреса має бути зручна для користувачів мережі, а це означає, що вона повинна мати символьне подання наприклад, www.gu.net;
• адреса повинна мати якомога компактніше подання, щоб не перевантажувати пам’ять комунікаційної апаратури — мережних адаптерів, маршрутизаторів і т. ін.

На практиці звичайно використовується відразу  кілька схем, тож комп’ютер одночасно  має кілька адрес-імен. Кожна адреса використовується в тій ситуації, коли відповідний вид адресації є найзручнішим. А щоб не виникало плутанини і комп’ютер завжди однозначно вирізнявся своєю адресою, використовуються спеціальні допоміжні протоколи, що за адресою одного типу можуть визначити адреси інших типів.

Найбільше поширення одержали три схеми адресації вузлів:

• Апаратні адреси. Ці адреси призначені для мережі невеликого чи середнього розміру, тому вони не мають ієрархічної структури. Типовим представником адреси такого типу є адреса мережного адаптера локальної мережі. Така адреса звичайно використовується тільки апаратурою, тому її намагаються зробити якомога компактнішою і записують у вигляді двійкового чи шістнадцяткового значення, наприклад 0081005е24а8. У процесі завдання апаратних адрес звичайно не потрібне виконання ручної роботи, адже вони або вбудовуються в апаратуру, або генеруються автоматично під час кожного нового запуску устаткування, причому унікальність адреси в межах мережі забезпечує устаткування. Крім відсутності ієрархії, використання апаратних адрес пов’язане ще з одним недоліком — у випадку заміни апаратури, наприклад мережного адаптера, змінюється й адреса комп’ютера. Більше того, якщо встановити кілька мережних адаптерів, у комп’ютера з’являється кілька адрес, що не дуже зручно для користувачів.
• Символьні адреси чи імена. Ці адреси призначені для запам’ятовування людьми і тому зазвичай несуть значеннєве навантаження. Символьні адреси легко використовувати як у невеликих, так і у великих мережах. Для роботи у великих мережах символьне ім’я може мати складну ієрархічну структуру, наприклад ftp-archl.ucl.ac.uk. Ця адреса говорить про те, що даний комп’ютер підтримує ftp-архів у мережі одного з коледжів Лондонського університету (University College London — ucl) і ця мережа належить до академічної галузі (ас) Internet Великобританії (United Kingdom — uk). Під час роботи в межах мережі Лондонського університету таке довге символьне ім’я явно надмірне, і замість нього зручно користуватися коротким символьним ім’ям, на роль якого добре підходить наймолодша частина складового повного імені, тобто ім’я ftp-archl.
• Числові складені адреси. Символьні імена зручні для людей, але через перемінний формат і потенційно велику довжину їх передавання мережею не є надто економним. Тож у багатьох випадках для роботи у великих мережах як адреси вузлів використовують числові складені адреси фіксованого та компактного форматів. Типовими представниками адрес цього типу є IP- та IPX-адреси. У них підтримується дворівнева ієрархія, адреса поділяється на старшу частину — номер мережі — і молодшу — номер вузла. Такий розподіл дає можливість передавати повідомлення між мережами лише на підставі номера мережі, а номер вузла використовується тільки після доставки повідомлення в потрібну мережу; так само, як назва вулиці використовується листоношею лише після того, як лист доставлений у потрібне місто. Віднедавна, щоб зробити маршрутизацію у великих мережах ефективнішою, пропонуються складніші варіанти числової адресації, відповідно до яких адреса має три і більше складових. Такий підхід, зокрема, реалізований у новій версії протоколу IPv6, призначеного для роботи в мережі Internet.

У сучасних мережах  для адресації вузлів застосовуються, як правило, одночасно всі три  наведені вище схеми. Користувачі адресують комп’ютери символьними іменами, що автоматично заміняються в повідомленнях, переданих по мережі, на числові номери. За допомогою цих числових номерів повідомлення передаються з однієї мережі в іншу, а після доставки повідомлення в мережу призначення замість числового номера використовується апаратна адреса комп’ютера. Нині така схема характерна навіть для невеликих автономних мереж, де, здавалося б, вона явно надлишкова, — це робиться для того, щоб під час включення цієї мережі у велику мережу не потрібно було змінювати склад операційної системи.

Проблема встановлення відповідності між адресами різних типів, якою опікується служба дозволу імен, може розв’язувати- 
ся як цілком централізованими, так і розподіленими засобами.  
У випадку централізованого підходу в мережі виділяється один комп’ютер (сервер імен), у якому зберігається таблиця відповідності одне одному імен різних типів, наприклад, символьних імен і числових номерів. Усі інші комп’ютери звертаються до сервера імен, щоб за символьним ім’ям знайти числовий номер комп’ютера, з яким необхідно обмінятися даними.

За іншого, розподіленого  підходу, кожен комп’ютер сам  встановлює відповідність між іменами. Наприклад, якщо користувач указав для вузла призначення числовий номер, то перед початком передавання даних комп’ютер-відправник посилає всім комп’ютерам мережі повідомлення (таке повідомлення називається широкомовним) із проханням упізнати це числове ім’я. Усі комп’ютери після одержання цього повідомлення порівнюють заданий номер зі своїм власним. Той комп’ютер, у якого вони збіглися, посилає відповідь, що містить його апаратну адресу, після чого стає можливим відправлення повідомлень локальною мережею.

Для взаємодії  між об’єктами, що працюють у мережі, застосовуються протоколи. На практиці в процесі реалізації мереж прагнуть використовувати стандартні протоколи. Це можуть бути фірмові, національні чи міжнародні стандарти.

На початку 80-х  років низка міжнародних організацій зі стандартизації — ISO, ITU-T та деякі інші — розробили модель, що відіграла значну роль у розвитку мереж. Ця модель називається моделлю взаємодії відкритих систем (Open System Interconnection, OSI) чи моделлю OSI. Модель OSI визначає різні рівні взаємодії систем, дає їм стандартні імена та вказує, які функції має виконувати кожен рівень. Модель OSI була розроблена на підставі великого досвіду, отриманого в процесі створення комп’ютерних мереж, переважно глобальних, у 70-ті роки. У моделі OSI засоби взаємодії поділяються на сім рівнів: прикладний, представницький, сеансовий, транспортний, мережний, канальний і фізичний. Кожен рівень має справу з одним певним аспектом взаємодії мережних пристроїв.

Дана модель описує тільки системні засоби взаємодії, реалізовані операційною системою, системними утилітами, системними апаратними засобами. Вона не включає засоби взаємодії додатків кінцевих користувачів.

Фізичний  рівень призначений для передавання бітів фізичними каналами зв’язку, такими, наприклад, як коаксіальний кабель, кручена пара, оптичноволоконний кабель або цифровий територіальний канал. До цього рівня мають відношення характеристики фізичних середовищ передавання даних такі, як смуга пропущення, перешкодозахищеність, хвильовий опір тощо. На цьому ж рівні визначаються характеристики електричних сигналів, що передають дискретну інформацію, наприклад, крутість фронтів імпульсів, рівні чи напруги струму переданого сигналу, тип кодування, швидкість передавання сигналів. Крім цього, тут стандартизуються типи рознімань і призначення кожного контакту.

Функції фізичного  рівня реалізуються в усіх пристроях, підімкнутих до мережі. З боку комп’ютера функції фізичного рівня виконуються мережним адаптером чи послідовним портом.

Прикладом протоколу  фізичного рівня може служити специфікація 10Base-T технології Ethernet, що визначає як використовуваний кабель неекрановану кручену пару категорії 3 із хвильовим опором 100 Ом, роз’ємом BJ-45, максимальну довжину фізичного сегмента 100 метрів, манчестерський код для подання даних у кабелі, а також деякі інші характеристики середовища й електричних сигналів.

На фізичному  рівні просто пересилаються біти. При цьому не враховується, що в  деяких мережах, у яких лінії зв’язку  використовуються (розділяються) поперемінно кількома парами взаємодіючих комп’ютерів, фізичне середовище передання може бути зайнято. Тому одним із завдань канального рівня є перевірка доступності середовища передавання. Іншим завданням канального рівня є реалізація механізмів виявлення та корекції помилок. Для цього на канальному рівні біти групуються в набори, які називаються кадрами. Канальний рівень забезпечує коректність передавання кожного кадру, поміщаючи спеціальну послідовність бітів у початок і кінець кожного кадру, для його виділення, а також обчислює контрольну суму, обробляючи всі байти певним способом і додаючи контрольну суму до кадру. Коли кадр надходить по мережі, одержувач знову обчислює контрольну суму отриманих даних і порівнює результат з контрольною сумою з кадру. Якщо вони збігаються, кадр вважається правильним і приймається. Якщо ж контрольні суми не збігаються, то фіксується помилка. Канальний рівень може не лише виявляти помилки, а й виправляти їх за рахунок повторного передавання ушкоджених кадрів. Необхідно зазначити, що функція виправлення помилок не є обов’язковою для канального рівня, тому в деяких протоколах цього рівня вона відсутня, наприклад, у Ethernet.

У протоколах канального рівня, використовуваних у локальних мережах, закладена певна структура зв’язків між комп’ютерами і способи їх адресації. Хоча канальний рівень і забезпечує доставку кадру між будь-якими двома вузлами локальної мережі, він це робить тільки в мережі з цілком певною топологією зв’язків — саме тією топологією, для якої він був розроблений. До таких типових топологій, підтримуваних протоколами канального рівня локальних мереж, належать спільна шина, кільце і зірка, а також структури, отримані з них за допомогою мостів і комутаторів. Прикладами протоколів канального рівня є протоколи Ethernet, Token Ring, FDDI.

У локальних мережах протоколи канального рівня використовуються комп’ютерами, мостами, комутаторами та маршрутизаторами. У комп’ютерах функції канального рівня реалізуються спільними зусиллями мережних адаптерів і їх драйверів.

У глобальних мережах, що рідко коли мають регулярну топологію, канальний рівень часто забезпечує обмін повідомленнями лише між двома сусідніми комп’ютерами, з’єднаними індивідуальною лінією зв’язку. Прикладами таких протоколів можуть служити широко розповсюджені протоколи РРР і LAP-B. У таких випадках для доставки повідомлень між кінцевими вузлами через усю мережу використовуються засоби мережного рівня. Іноді в глобальних мережах функції канального рівня в чистому вигляді виділити важко, тому що в тому самому протоколі вони поєднуються з функціями мережного рівня. Прикладами такого підходу можуть бути протоколи технологій ATM.

У цілому канальний  рівень являє собою вельми могутній і викінчений набір функцій з пересилання повідомлень між вузлами мережі. У деяких випадках протоколи канального рівня виявляються самодостатніми транспортними засобами і можуть допускати роботу поверх них безпосередньо протоколів прикладного рівня чи додатків, без залучення засобів мережного й транспортного рівнів. Наприклад, існує реалізація протоколу керування мережею SNMP безпосередньо поверх Ethernet, хоча стандартно цей протокол працює поверх мережного протоколу IP і транспортного протоколу UDP. Природно, що застосування такої реалізації буде обмеженим — вона не підходить для складених мереж різних технологій, наприклад, Ethernet і Х.25, і навіть для такої мережі, в якій у всіх сегментах застосовується Ethernet. А для двосегментної мережі Ethernet, об’єднаної мостом, реалізація SNMP над канальним рівнем буде цілком можлива.

Проте для забезпечення якісного транспортування повідомлень у мережах будь-яких топологій і технологій функцій канального рівня виявляється недостатньо, тому в моделі OSI виконання цього завдання покладається на два наступні рівні — мережний і транспортний.

Мережний  рівень служить для утворення єдиної транспортної системи, що поєднує кілька мереж, причому ці мережі можуть використовувати різні принципи передавання повідомлень між кінцевими вузлами та мати довільну структуру зв’язків. Функції мережного рівня досить різноманітні. Почнемо їх розгляд на прикладі об’єднання локальних мереж.

Протоколи канального рівня локальних мереж забезпечують доставку даних між будь-якими вузлами лише в мережі з відповідною типовою топологією, наприклад топологією ієрархічної зірки. Це суворе обмеження, що не дає змоги будувати мережі з розвинутою структурою, наприклад, мережі, що поєднують кілька мереж підприємства в єдину мережу, чи високонадійні мережі, в яких існують надлишкові зв’язки між вузлами. Можна було б ускладнювати протоколи канального рівня для підтримки петлеподібних надлишкових зв’язків, але принцип поділу обов’язків між рівнями приводить до іншого рішення. Щоб, з одного боку, зберегти простоту процедури передавання даних для типових топологій, а з іншого допустити використання довільних топологій, уводиться додатковий мережний рівень.

На мережному  рівні сам термін мережа наділяється специфічним значенням. У даному разі під мережею розуміють сукупність комп’ютерів, з’єднаних між собою відповідно до однієї зі стандартних типових топологій і таких, що використовують для передавання даних один із протоколів канального рівня, визначений для цієї топології.

Усередині мережі доставка даних забезпечується відповідним  канальним рівнем, а ось доставкою  даних між мережами займається мережний рівень, що й підтримує можливість правильного вибору маршруту передавання повідомлення навіть у тому разі, коли структура зв’язків між складовими мережами має характер, відмінний від прийнятого в протоколах канального рівня.

Мережі з’єднуються  між собою спеціальними пристроями, що їх називають маршрутизаторами. Маршрутизатор — це пристрій, що збирає інформацію про топологію міжмережевих з’єднань і на її підставі пересилає пакети мережного рівня в мережу призначення. Щоб передати повідомлення від відправника, який перебуває в одній мережі, одержувачу в іншій мережі, потрібно зробити кілька транзитних передач між мережами. Таким чином, маршрут являє собою послідовність маршрутизаторів, через які проходить пакет.

Проблема вибору найкращого шляху називається маршрутизацією, і її розв’язання є одним з головних завдань мережного рівня. Ця проблема ускладнюється тим, що найкоротший шлях не завжди найкращий. Часто критерієм під час вибору маршруту є час передавання даних цим маршрутом; він залежить від пропускної здатності каналів зв’язку й інтенсивності графіка, що може змінюватися з часом. Деякі алгоритми маршрутизації намагаються пристосуватися до зміни навантаження, тоді як інші приймають рішення на основі середніх показників за тривалий час. Вибір маршруту може здійснюватися і за іншими критеріями, наприклад, надійністю передавання.

В усякому разі функції мережного рівня ширші, ніж функції передавання повідомлень  по зв’язках з нестандартною структурою. Мережний рівень вирішує також питання узгодження різних технологій, спрощення адресації у великих мережах і створення надійних та гнучких бар’єрів на шляху небажаного графіка між мережами.