Мережевий протокол в комп'ютерних мережах

Мережевий протокол в комп'ютерних мережах — заснований на стандартах набір правил, що визначає принципи взаємодії комп'ютерів в  мережі. Протокол також задає загальні правила взаємодії різноманітних  програм, мережевих вузлів чи систем і створює таким чином єдиний простір передачі. Хости (будь-який вузол мережі що відправляє або приймає дані через мережу називають хостом (host)) взаємодіють між собою. Для того, щоб прийняти і обробити відповідним чином повідомлення, їм необхідно знати як сформовані повідомлення і що вони означають. Прикладами використання різних форматів повідомлень в різних протоколах можуть бути встановлення з'єднання з віддаленою машиною, відправка повідомлень електронною поштою, передача файлів. Зрозуміло, що різні служби використовують різні формати повідомлень.

Протокол описує:

Формат повідомлення, якому застосунки зобов'язані слідувати;

Спосіб обміну повідомленнями між комп'ютерами  в контексті визначеної дії, як, наприклад, пересилка повідомлення по мережі. 

Різні протоколи  найчастіше описують лише різні сторони одного типу зв'язку й, узяті разом, утворюють стек протоколів. Назви «протокол» і «стек протоколів» також вказують на програмне забезпечення, яке реалізує протоколи. 

Нові протоколи  для Інтернету визначаються IETF, інші протоколи — IEEE або ISO. ITU-T займається телекомунікаційними протоколами та форматами. 

Найпоширенішою  системою класифікації мережних протоколів (і способів мережного зв'язку загалом) є, так звана, модель OSI, відповідно до якої протоколи поділяються на 7 рівнів за своїм призначенням — від фізичного (формування й розпізнавання електричних або інших сигналів) до прикладного(API застосунків для передачі інформації). 

Також дуже важливо  розрізняти два схожі за назвою, але діаметрально протилежні за властивостями, терміни - маршрутизований протокол та протокол маршрутизації. Ще більша плутанина виникає з оригінальною назвою - routed&routing protocols.

Маршрутизований протокол - це будь-який мережний протокол, адреса мережевого рівня якого надає  достатньо інформації для доставки пакету від одного вузла мережі до іншого на основі використовуваної схеми адресації. Такий протокол задає формати полів всередині пакету. Пакети зазвичай передаються від однієї кінцевої системи до іншої. Маршрутизований протокол використовує таблицю маршрутизації для пересилки пакетів.

Приклади маршрутизованих  протоколів - Internet-протокол (IP), протокол міжмережевого пакетного обміну IPX тощо. Легше всього зрозуміти що таке маршрутизовані протоколи, якщо пам'ятати, що це протоколи передачі даних.

Протокол маршрутизації - такий протокол, який підтримує  маршрутизовані протоколи і надає  механізми обміну маршрутною інформацією. Повідомлення протоколу маршрутизації  передаються між маршрутизаторами (роутерами). Протокол маршрутизації  дозволяє роутерам обмінюватись інформацією між собою для оновлення записів і підтримки таблиці маршрутизації.

Приклади протоколів маршрутизації: RIP, IGRP, EIGRP, OSPF. Легше зрозуміти, що таке протоколи маршрутизації, якщо пам'ятати, що це протоколи обміну маршрутною інформацією. 

Для того, щоб  протокол був маршрутизованим, він  має включати механізми призначення  як номера мережі, так і номера вузла  для кожного пристрою в мережі. В деяких протоколах, як, наприклад, IPX необхідно визначати лише адресу мережі, оскільки в якості адреси пристрою ця технологія використовує фізичну адресу (MAC-адресу) пристрою. Інші протоколи, як IP-протокол, вимагають явного задання повної адреси і маски підмережі. 

Модель ISO/OSI

Міжнародна Організація  Стандартів (International Standards Organization, ISO) розробила модель, яка чітко визначає різні рівні взаємодії систем, дає їм стандартні імена і вказує, яку роботу повинен робити кожен рівень. Ця модель називається моделлю взаємодії відкритих систем (Open System Interconnection, OSI) або моделлю ISO / OSI. 

У моделі OSI взаємодія ділиться на сім рівнів або шарів (рис. 1.1). Кожен рівень має справу з одним певним аспектом взаємодії. Таким чином, проблема взаємодії декомпозирована на 7 приватних проблем, кожна з яких може бути вирішена незалежно від інших. Кожен рівень підтримує інтерфейси з вище-і нижележащими рівнями.

Рис. 1.1. Модель взаємодії  відкритих систем ISO / OSI 

Модель OSI описує тільки системні засоби взаємодії, не торкаючись додатків кінцевих користувачів. Програми реалізують свої власні протоколи взаємодії, звертаючись до системних засобів. Слід мати на увазі, що додаток може взяти на себе функції деяких верхніх рівнів моделі OSI, в такому випадку, при необхідності міжмережевого обміну воно звертається безпосередньо до системних засобів, що виконують функції залишилися нижніх рівнів моделі OSI. 

Додаток кінцевого  користувача може використовувати  системні засоби взаємодії не тільки для організації діалогу з  іншим додатком, що виконується на іншій машині, а й просто для  отримання послуг того чи іншого мережевого сервісу, наприклад, доступу до віддалених файлів, отримання пошти або друку на поділюваному принтері. 

Отже, нехай додаток  звертається із запитом до прикладного  рівня, наприклад до файлового сервісу. На підставі цього запиту програмне забезпечення прикладного рівня формує повідомлення стандартного формату, в яке поміщає службову інформацію (заголовок) і, можливо, передані дані. Потім це повідомлення направляється представницькому рівню. Представницький рівень додає до повідомлення свій заголовок і передає результат вниз сеансовому рівню, який в свою чергу додає свій заголовок і т.д. Деякі реалізації протоколів передбачають наявність у повідомленні не тільки заголовка, але і кінцевика. Нарешті, повідомлення досягає найнижчого, фізичного рівня, який дійсно передає його по лініях зв'язку. 

Коли повідомлення по мережі поступає на іншу машину, воно послідовно переміщається вгору  з рівня на рівень. Кожен рівень аналізує, обробляє і видаляє заголовок  свого рівня, виконує відповідні даному рівню функції і передає повідомлення вищого рівня. 

Крім терміна "повідомлення" (message) існують і  інші назви, які використовуються мережевими фахівцями для позначення одиниці  обміну даними. У стандартах ISO для  протоколів будь-якого рівня використовується такий термін як "протокольний блок даних" - Protocol Data Unit (PDU). Крім цього, часто використовуються назви кадр (frame), пакет (packet), дейтаграма (datagram). 

Функції рівнів моделі ISO / OSI 

Фізичний рівень. Цей рівень має справу з передачею  бітів по фізичних каналах, таким, наприклад, як коаксіальний кабель, вита пара або оптичне волокно. До цього рівня мають відношення характеристики фізичних серед передачі даних, такі як смуга пропускання, перешкодозахищеність, хвильовий опір і інші. На цьому ж рівні визначаються характеристики електричних сигналів, такі як вимоги до фронтах імпульсів, рівнями напруги або струму сигналу, тип кодування, швидкість передачі сигналів. Крім цього, тут стандартизуються типи роз'ємів і призначення кожного контакту. 

Функції фізичного рівня реалізуються у всіх пристроях, підключених до мережі. З боку комп'ютера функції фізичного рівня виконуються мережевим адаптером або послідовним портом. 

Прикладом протоколу  фізичного рівня може служити  специфікація 10Base-T технології Ethernet, яка визначає в якості використовуваного кабелю неекрановану виту пару категорії 3 із хвильовим опором 100 Ом, роз'єм RJ-45, максимальну довжину фізичного сегмента 100 метрів, манчестерський код для представлення даних на кабелі, та інші характеристики середи і електричних сигналів. 

Канальний рівень. На фізичному рівні просто пересилаються  біти. При цьому не враховується, що в деяких мережах, в яких лінії  зв'язку використовуються (розділяються) навперемінно декількома парами взаємодіючих комп'ютерів, фізична середа передачі може бути зайнята. Тому однією із задач канального рівня є перевірка доступності середовища передачі. Іншою задачею канального рівня є реалізація механізмів виявлення і корекції помилок. Для цього на канальному рівні біти групуються в набори, звані кадрами (frames). Канальний рівень забезпечує коректність передачі кожного кадру, вміщуючи спеціальну послідовність біт в початок і кінець кожного кадру, щоб відзначити його, а також обчислює контрольну суму, підсумовуючи всі байти кадру певним способом і додаючи контрольну суму до кадру. Коли кадр приходить, одержувач знов 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. 

У протоколах канального рівня, що використовуються в локальних  мережах, закладена певна структура  зв'язків між комп'ютерами і  способи їх адресації. Хоч канальний  рівень і забезпечує доставку кадру  між будь-якими двома вузлами локальної мережі, він це робить тільки в мережі з абсолютно певною топологією зв'язків, саме тією топологією, для якої він був розроблений. До таких типових топологій, що підтримуються протоколами канального рівня локальних мереж, відносяться загальна шина, кільце і зірка. Прикладами протоколів канального рівня є протоколи Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN. 

У локальних  мережах протоколи канального рівня  використовуються комп'ютерами, мостами, комутаторами і маршрутизаторами. У комп'ютерах функції канального рівня реалізовуються спільними зусиллями мережевих адаптерів і їх драйверів. 

У глобальних мережах, які рідко володіють регулярною топологією, канальний рівень забезпечує обмін повідомленнями між двома сусідніми комп'ютерами, сполученими індивідуальною лінією зв'язку. Прикладами протоколів "точка - точка" (як часто називають такі протоколи) можуть служити широко поширені протоколи PPP і LAP-B. 

Мережевий рівень. Цей рівень служить для утворення єдиної транспортної системи, що об'єднує декілька мереж з різними принципами передачі інформації між кінцевими вузлами. Розглянемо функції мережевого рівня на прикладі локальних мереж. Протокол канального рівня локальних мереж забезпечує доставку даних між будь-якими вузлами тільки в мережі з відповідною типовою топологією. Це дуже жорстке обмеження, яке не дозволяє будувати мережі з розвиненою структурою, наприклад, мережі, що об'єднують декілька мереж підприємства в єдину мережу, або високонадійні мережі, в яких існують надмірні зв'язки між вузлами. Для того, щоб, з одного боку, зберегти простоту процедур передачі даних для типових топологій, а з іншого боку, допустити використання довільних топологій, використовується додатковий мережевий рівень. На цьому рівні вводиться поняття "мережа". У даному випадку під мережею розуміється сукупність комп'ютерів, з'єднаних між собою відповідно до однієї з стандартних типових топологій і використовуючих для передачі даних один з протоколів канального рівня, визначений для цієї топології. 

Таким чином, всередині  мережі доставка даних регулюється  канальним рівнем, а ось доставкою  даних між мережами займається мережевий  рівень. 

Повідомлення  мережевого рівня прийнято називати пакетами (packets). При організації доставки пакетів на мережевому рівні використовується поняття "номер мережі". У цьому випадку адреса одержувача складається з номера мережі і номери комп'ютера в цій мережі. 

Мережі з'єднуються  між собою спеціальними пристроями, званими маршрутизаторами. Маршрутизатор - це пристрій, який збирає інформацію про топологію міжмережевих з'єднань і на її основі пересилає пакети мережевого рівня в мережу призначення. Для того, щоб передати повідомлення від відправника, що знаходиться в одній мережі, одержувачу, що знаходиться в іншій мережі, треба здійснити деяку кількість транзитних передач (hops) між мережами, кожен раз вибираючи відповідний маршрут. Таким чином, маршрут являє собою послідовність маршрутизаторів, через які проходить пакет. 

Проблема вибору найкращого шляху називається маршрутизацією і її рішення є головним завданням мережевого рівня. Ця проблема ускладнюється тим, що найкоротший шлях не завжди найкращий. Часто критерієм при виборі маршруту є час передачі даних по цьому маршруту, воно залежить від пропускної спроможності каналів зв'язку та інтенсивності трафіку, яка може змінюватися з часом. Деякі алгоритми маршрутизації намагаються пристосуватися до зміни навантаження, в той час, як інші приймають рішення на основі середніх показників за тривалий час. Вибір маршруту може здійснюватися і за іншими критеріями, наприклад, надійності передачі. 

На мережевому рівні визначається два види протоколів. Перший вид належить до визначення правил передачі пакетів з даними кінцевих вузлів від вузла до маршрутизатора і між маршрутизаторами. Саме ці протоколи зазвичай мають на увазі, коли кажуть про протоколи мережевого рівня. До мережевого рівня відносять і інший вид протоколів, званих протоколами обміну маршрутною інформацією. За допомогою цих протоколів маршрутизатори збирають інформацію про топологію міжмережевих з'єднань. Протоколи мережевого рівня реалізовуються програмними модулями операційної системи, а також програмними й апаратними засобами маршрутизаторів. 

Прикладами протоколів мережевого рівня є протокол міжмережевої взаємодії IP стека TCP / IP і протокол міжмережевого обміну пакетами IPX стека Novell. 

Транспортний  рівень. На шляху від відправника  до одержувача пакети можуть бути спотворені або загублені. Хоча деякі додатки  мають власні засоби обробки помилок, існують і такі, які вважають за краще відразу мати справу з надійним з'єднанням. Робота транспортного рівня полягає в тому, щоб забезпечити додаткам або верхнім рівням стека - прикладному і сеансовому - передачу даних з тим ступенем надійності, яка їм потрібна. Модель OSI визначає п'ять класів сервісу, що надаються транспортним рівнем. Ці види сервісу відрізняються якістю наданих послуг: терміновістю, можливістю відновлення перерваного зв'язку, наявністю засобів мультиплексування декількох з'єднань між різними прикладними протоколами через загальний транспортний протокол, а головне - здатністю до виявлення і виправлення помилок передачі, таких як спотворення, втрата і дублювання пакетів.