Мобильная передача данных

Мобильная передача данных

· GPS — сеть глобальной системы позиционирования (Global Positioning System) передает сигналы по всему миру с помощью спутниковой связи. Смартфон может принимать эти сигналы и рассчитывать свое местоположение с точностью до 10 метров.

· Wi-Fi — приемники и передатчики Wi-Fi внутри смартфона обеспечивают его подключение к локальным сетям и Интернету. Чтобы обмениваться данными по сети Wi-Fi, телефон должен находиться в пределах диапазона сигнала от точки беспроводного доступа. Сети Wi-Fi обычно являются частными, но нередко содержат точки гостевого или публичного доступа. Точка доступа — это область, где доступны сигналы Wi-Fi. Сетевые подключения Wi-Fi на телефоне аналогичны сетевым подключениям на ноутбуке.

· Bluetooth — технология беспроводной связи малой мощности и меньшего радиуса действия, предназначенная в качестве замены проводных подключений для таких принадлежностей, как динамики, наушники и микрофоны. Поскольку технологию Bluetooth можно использовать для передачи как голоса, так и данных, она позволяет создавать небольшие локальные сети.

· NFC — NFC является аббревиатурой Near Field Communications (ближняя радиосвязь). NFC — это технология беспроводной связи, которая обеспечивает обмен данными между устройствами, расположенными в непосредственной близости друг от друга, обычно в пределах нескольких сантиметров.

Компоненты сети основные категории:

хосты;

периферийные устройства;

сетевые устройства;

сетевая среда передачи данных.

Чтобы устройство смогло обмениваться данными по сети, необходимо правильно настроить три элемента конфигурации IP:

IP-адрес идентифицирует хост в сети;

маска подсети идентифицирует сеть, к которой подключен хост;

основной шлюз идентифицирует сетевое устройство, через которое хост подключается к Интернету или другой удаленной сети.

Примечание. Для получения доступа к Интернету большинство сетевых приложений вместо IP-адреса используют доменное имя, например www.cisco.com. DNS-сервер преобразует доменное имя в IP-адрес. Без IP-адреса DNS-сервера пользователю будет трудно подключиться к Интернету.

Настройка IP вручную

При настройке вручную сетевой администратор, как правило, вводит в устройство необходимые значения с клавиатуры. В этом случае IP-адрес называется статическим и подлежит изменению только при перемещении устройства в другую логическую подсеть.

Витая пара

В современной технологии Ethernet для соединения устройств чаще всего используется тип медного кабеля, который называется витой парой (ВП). Поскольку Ethernet является основой большинства локальных сетей, ВП - наиболее распространенный тип сетевого кабеля. Передача данных по медному кабелю чувствительна к электромагнитным помехам (ЭМП), что может снизить пропускную способность, обеспечиваемую кабелем. Чаще всего источниками ЭМП в домах являются микроволновые печи и флюоресцентные лампы.

Типы витых пар:

Существует два наиболее распространенных типа витой пары.

· Неэкранированная витая пара (UTP) — самый распространенный в Северной Америке и многих других странах тип сетевого кабеля (рис. 1).

· Экранированные витые пары (STP ) — практически нигде не используются, кроме как в европейских странах.

UTP недорогие, обладают высокой пропускной способностью и легко прокладываются. Такими кабелями соединяются рабочие станции, хосты и сетевые устройства.

Кабели данных UTP всех категорий традиционно оканчиваются разъемом RJ-45 (рис. 3). В ряде случаев требуется разъем RJ-11 меньшего размера, например для аналоговых телефонов и некоторых факсимильных аппаратов.

Коаксиальный кабель

Обычно коаксиальные кабели изготавливают из меди или алюминия. Они применяются в кабельном телевидении. Кроме того, таким кабелем соединяются различные компоненты систем спутниковой связи.

Кабели для кабельного ТВ и спутниковой связи

Как и витая пара, коаксиальный кабель передает данные в виде электрических сигналов. Он обеспечивает более надежное экранирование по сравнению с UTP и поэтому может передавать больше данных. Коаксиальный кабель обычно изготавливается из меди или алюминия. Он используется на кабельном телевидении для обеспечения обслуживания и подключения различных компонентов систем спутниковой связи. Хотя коаксиальный кабель имеет улучшенные характеристики передачи данных, в локальных сетях вместо него используется витая пара. Отчасти причина заключается в том, что по сравнению с UTP коаксиальный кабель сложнее монтировать, он дороже и хуже поддается ремонту.

Волоконно-оптический кабель

Волоконно-оптические кабели изготавливаются из стекла или пластика. У них очень высокая пропускная способность, позволяющая передавать большие объемы данных. Оптоволоконные кабели используются в магистральных сетях, на крупных предприятиях и больших информационных центрах. Кроме того, их активно применяют телефонные компании.

В отличие от UTP и коаксиального кабеля, волоконно-оптический передает данные в виде световых импульсов. Волоконно-оптические кабели обычно не используются в домах и на малых предприятиях, но широко распространены в крупных организациях и центрах обработки данных.

Волоконно-оптический кабель изготавливается из стекла или пластика, не проводящих электричество. Соответственно, он устойчив к ЭМП и РЧП и подходит для мест, где помехи представляют собой серьезную проблему. Оптоволоконные соединения — хорошее решение для развертывания сетей между зданиями по причине расстояния и потому, что волоконно-оптические кабели более устойчивы к условиям эксплуатации вне помещений, чем медные кабели. В любой волоконно-оптической линии фактически присутствуют два кабеля. Один из них передает данные, другой - получает.

Длина волоконно-оптического кабеля может достигать нескольких километров до того, как потребуется регенерация сигнала. Лазеры или светодиоды создают световые импульсы, используемые для представления передаваемых данных как битов в носителе. Помимо устойчивости к ЭМП, волоконно-оптические кабели отличаются большой пропускной способностью, поэтому идеально подходят для высокоскоростных сетей передачи данных. Пропускная способность волоконно-оптических каналов может достигать 100 Гбит/с и постоянно растет с разработкой и внедрением новых стандартов. Волоконно-оптические каналы есть во многих корпорациях. Они также используются для подключения сетей интернет-провайдеров к Интернету.

Протоколы связи

Вот некоторые протоколы, которые регулируют связь между пользователями:

известные отправитель и получатель;

согласованный метод обмена данными (личный, по телефону, посредством писем, посредством фотографий);

общепринятые язык и грамматика;

скорость и время доставки;

требования к утверждению или подтверждению.

Протоколы обеспечивают правильный обмен информацией между компьютерами по сети. Локальная сеть (проводная или беспроводная) — это область, в которой все хосты должны «говорить на одном языке» или, выражаясь компьютерными терминами, «использовать общий протокол».

Сетевые протоколы определяют многие аспекты передачи информации по локальной сети, включая формат, размер и шаблоны сообщений, синхронизацию и кодирование.

Стандарт - это набор правил, определяющих последовательность выполнения определенных действий. Стандарты сети и Интернета гарантируют, что один и тот же набор правил или протоколов одинаково реализован на всех устройствах, подключенных к сети. Применение стандартов позволяет различным типам устройств обмениваться информацией через Интернет.

Многоуровневая модель имеет ряд преимуществ:

· она упрощает разработку протоколов, так как протоколы, работающие на определенном уровне, определяют формат обрабатываемых данных и предоставляют интерфейс к верхним и нижним уровням;

· заставляет поставщиков конкурирующих продуктов создавать унифицированные решения;

· позволяет вносить технологические изменения на одном уровне, не затрагивая остальных;

· предоставляет общий язык для описания функций сетевого взаимодействия.

Набор протоколов TCP/IP, которые используются для интернет-коммуникаций, построен на основе этой модели, как показано на рисунке. Вот почему модель Интернета обычно называют моделью TCP/IP.

Типы моделей:

· Протокольная модель соответствует структуре определённого набора протоколов. Набор протоколов включает несколько связанных протоколов, которые обычно предоставляют все функции, необходимые для взаимодействия пользователей с сетью данных. TCP/IP — протокольная модель, поскольку в ней описываются функции, которые выполняются на каждом уровне протоколов, входящих в семейство протоколов TCP/IP.

· Эталонная модель — этот тип модели описывает функции, которые должны выполняться на конкретном уровне, но не определяет, как именно должна быть реализована та или иная функция. Эталонная модель не предполагает достаточного уровня детализации для точного определения того, как каждый протокол должен работать на каждом уровне. Основная цель эталонной модели — способствовать более ясному пониманию функций и процессов, необходимых для связи по сети.

Наиболее широко известна эталонная модель межсетевого взаимодействия, созданная Международной организацией по стандартизации (ISO) в рамках проекта Open Systems Interconnection (Взаимодействие открытых систем, OSI). Она используется для проектирования сетей передачи данных, технических требований к операциям, а также для поиска и устранения неполадок. Эту модель обычно называют моделью OSI.

Стандарты

Стандартизация принесла сетям много пользы:

· упростилась конструкция сетей;

· упростилась разработка продуктов;

· появились новые возможности для конкуренции;

· появилась возможность связывать разные устройства;

· упростилось обучение;

· расширился выбор поставщиков.

Институт инженеров по электротехнике и электронике, или IEEE (произносится как «ай-три-и»), занимается сетевыми стандартами, включая Ethernet и стандарты беспроводной связи. Комитеты IEEE отвечают за утверждение и обновление стандартов подключения, требований к среде передачи и протоколам связи. Каждому технологическому стандарту присваивается номер, соответствующий номеру ответственного за утверждение и обновление комитета. Стандартами Ethernet занимается комитет 802.3.

Для каждой версии сети Ethernet есть свой стандарт. Например, 802.3 100BASE-T — это стандарт Ethernet для передачи данных со скоростью 100 Мбит/с по витой паре. Название стандарта расшифровывается следующим образом:

100 — это скорость в Мбит/с;

BASE — прямая передача;

T — тип кабеля (в данном случае витая пара).

В сетях Ethernet используется схожий метод идентификации хостов-источников и хостов назначения. Каждому подключенному к Ethernet хосту присваивается физический адрес, который служит его идентификатором в сети.

В процессе изготовления всем сетевым интерфейсам Ethernet даются физические адреса. Этот адрес называется MAC-адресом (Media Access Control — управление доступом к среде передачи данных). MAC-адрес идентифицирует каждый исходный и каждый конечный хосты в сети.

Инкапсуляция

Процесс размещения одного формата сообщения (письмо) внутри другого (конверт) называется инкапсуляцией. Деинкапсуляция происходит в тот момент, когда получатель достает письмо из конверта. Подобно тому, как письмо вкладывается в конверт, компьютерное сообщение инкапсулируется.

Для инкапсуляции каждого сообщения компьютера перед отправкой по сети используется особый формат, который называется кадром. Кадр действует примерно так же, как и конверт: в нем указаны адреса хоста-источника и назначения. Формат и содержимое кадра зависят от типа сообщения и канала передачи. Неверно отформатированные сообщения не могут быть доставлены на хост назначения и обработаны на нем.

Уровень доступа

Уровень доступа соединяет устройства конечных пользователей с сетью и позволяет нескольким хостам подключаться к другим хостам через сетевое устройство, обычно коммутатор или точку доступа. Как правило, раздел сети в IP-адресе всех устройств одного и того же уровня доступа совпадает.

Если сообщение предназначено локальному хосту, оно остается на локальном уровне (это зависит от сетевой части IP-адреса). Если сообщение предназначено для другой сети, оно передается на уровень распределения. Коммутаторы обеспечивают связь с устройствами уровня распределения, обычно с маршрутизатором.

Уровень распределения

Уровень распределения соединяет разные сети и контролирует потоки информации между ними. Обычно коммутаторы этого уровня мощнее, чем на уровне доступа, а для маршрутизации данных между сетями используются маршрутизаторы. Устройства уровня распределения контролируют тип и объем трафика, передающегося с уровня доступа на уровень ядра.

Уровень ядра

Уровнем ядра называется высокоскоростной магистральный уровень с дублирующими (резервными) соединениями. На этом уровне большие объемы данных передаются между несколькими сетями. Обычно на уровне ядра находятся очень мощные, высокоскоростные коммутаторы и маршрутизаторы. Основная задача уровня ядра — быстрая передача данных.

Коммутаторы

Коммутатор Ethernet используется на уровне доступа. Когда хост отправляет сообщение другому хосту, подключенному к той же коммутируемой сети, коммутатор принимает и декодирует кадры, считывая физический (MAC) адрес сообщения.

В таблице коммутатора, которая называется таблицей MAC-адресов, находится список активных портов и MAC-адресов подключенных к ним хостов. Когда хосты обмениваются сообщениями, коммутатор проверяет, есть ли в таблице MAC-адрес. Если да, коммутатор устанавливает между портом источника и назначения временное соединение, которое называется канал.

Таблицы MAC -адресов

Если MAC-адреса назначения нет в таблице, коммутатор не может создать отдельный канал, поскольку не имеет соответствующей информации. Если коммутатор не может определить, где расположен конечный хост, он передает сообщение всем подключенным хостам, кроме хоста-отправителя. Для этого используется процесс, который называется лавинной рассылкой. Каждый хост сравнивает MAC-адрес назначения сообщения со своим MAC-адресом, но только тот хост, которому оно адресовано, обрабатывает сообщение и отвечает на него.

Как MAC-адрес нового хоста попадает в таблицу? Коммутатор строит таблицу MAC-адресов, проверяя MAC-адрес источника в каждом кадре, который проходит между хостами. Когда новый хост отправляет сообщение или отвечает на сообщение из массовой рассылки, коммутатор немедленно выясняет его адрес и порт, к которому он подключен. Таблица динамически обновляется каждый раз, как коммутатор считывает новый MAC-адрес источника. Таким образом он быстро узнает адреса всех подключенных хостов.

Широковещательные рассылки

Широковещательные рассылки нужны в том случае, если хостам нужно найти информацию, не зная точно, на каком хосте она находится, или если хосту нужно своевременно предоставить информацию всем остальным хостам в той же сети.

В сообщении может быть только один MAC-адрес назначения.

Сообщения широковещательной рассылки отправляются на уникальный MAC-адрес, который опознают все хосты. В действительности MAC-адрес широковещательной рассылки представляет собой 48-битный адрес, в который входят все остальные адреса. Из-за своей длины MAC-адрес обычно представляется в шестнадцатеричном формате. MAC-адрес широковещательной рассылки в шестнадцатеричном формате — FFFF.FFFF.FFFF. Каждая буква F в шестнадцатеричном формате соответствует четырем единицам в двоичном адресе.

Связь на уровне доступа

В локальной сети Ethernet сетевая интерфейсная плата принимает кадр только в том случае, если он отправлен на MAC-адрес широковещательной рассылки или MAC-адрес сетевого адаптера.

Для определения MAC-адреса любого хоста, находящегося в той же локальной сети, хост-отправитель может использовать протокол IPv4, называемый протоколом разрешения адресов (ARP). IPv6 использует аналогичный метод, называемый поиском соседей.

Принцип работы ARP

Если известен только IPv4-адрес хоста, ARP определяет и сохраняет MAC-адрес хоста в локальной сети в три этапа:

· Отправляющий хост создает и отправляет кадр по MAC-адресу широковещательной рассылки. В кадре содержится сообщение с IPv4-адресом конечного хоста;

· Каждый хост в сети получает этот широковещательный кадр и сравнивает адрес IPv4 из сообщения со своим. Хост с совпадающим адресом IPv4 посылает отправителю свой MAC-адрес;

· Хост-отправитель получает сообщение и сохраняет MAC-адрес и адрес IPv4 в таблице ARP.

Когда MAC-адрес конечного хоста оказывается в таблице ARP хоста-отправителя, появляется возможность отправлять кадры напрямую, минуя ARP-запрос. Так как сообщения ARP используют широковещательные кадры для доставки запросов, все хосты в локальной сети IPv4 должны находиться в одном домене широковещательной рассылки.

Разделение локальной сети

По мере расширения часто приходится делить одну сеть уровня доступа на несколько сетей уровня доступа. Это можно сделать по-разному, на основе разных критериев, в том числе:

· ограничение широковещательной рассылки;

· требования безопасности;

· число физических расположений;

· логическая группировка.

Уровень распределения связывает эти независимые локальные сети и управляет трафиком между ними. Он отвечает за то, чтобы трафик между хостами локальной сети оставался локальным. Наружу передается только трафик, направленный в другие сети. Кроме того, уровень распределения может фильтровать входящий и исходящий трафик в целях безопасности и управления.

Маршрутизаторы

Маршрутизатор — это сетевое устройство, связывающее несколько IP-сетей уровня 3. На сетевом уровне распределения маршрутизаторы перенаправляют трафик и выполняют другие функции, важные для эффективной работы сети. Как и коммутаторы, маршрутизаторы могут декодировать и читать полученные сообщения. В отличие от коммутаторов, которые принимают решение о переадресации на основании MAC-адреса уровня 2, маршрутизаторы принимают это решение на основании IP-адреса уровня 3.

В пакете содержатся IP-адреса источника и назначения и данные пересылаемого сообщения. Маршрутизатор считывает сетевую часть IP-адреса назначения и с ее помощью определяет, по какой из подключенных сетей лучше всего переслать сообщение адресату.

Если сетевая часть IP-адресов источника и назначения не совпадает, для пересылки сообщения необходимо использовать маршрутизатор. Если хост, находящийся в сети 1.1.1.0, должен отправить сообщение хосту в сети 5.5.5.0, оно переправляется маршрутизатору. Маршрутизатор получает сообщение, деинкапсулирует кадр Ethernet, а затем считывает IP-адрес назначения в IP-пакете. Затем он определяет, куда переправить сообщение. Маршрутизатор снова инкапсулирует пакет в новый кадр и пересылает его по назначению.

Выбор пути

Каждый порт (интерфейс) маршрутизатора связан со своей локальной сетью. У каждого маршрутизатора есть таблица локально подключенных сетей и их интерфейсов. Кроме того, в этих таблицах маршрутизации бывает информация о маршрутах, или путях для подключения к другим локально подключенным удаленным сетям.

Получив кадр, маршрутизатор декодирует его и получает пакет с IP-адресом назначения. Он сопоставляет раздел сети в IP-адресе назначения с сетями, перечисленными в таблице маршрутизации. Если адрес сети назначения есть в таблице, маршрутизатор инкапсулирует пакет в новый кадр и отправляет. Этот новый кадр направляется в сеть назначения через интерфейс, относящийся к выбранному пути. Процесс перенаправления пакетов в сеть назначения называется маршрутизацией.

Интерфейсы маршрутизатора не пересылают сообщения, направленные на IP-адрес широковещательной рассылки локальной сети. Поэтому рассылки локальной сети не попадают в другие сети через маршрутизатор.

Таблицы маршрутизации

Маршрутизаторы перемещают данные между локальной и удаленной сетью. Информация хранится в таблицах маршрутизации. В таблицах маршрутизации нет адресов отдельных хостов. В них хранятся адреса сетей и оптимальные пути к ним. Записи могут вноситься в таблицу маршрутизации двумя способами: динамически обновляться на основании информации, полученной от других маршрутизаторов в сети, или вручную вводиться сетевым администратором. С помощью таблиц маршрутизаторы определяют интерфейс, который следует использовать для передачи сообщения по назначению.

Если маршрутизатор не может определить адресата сообщения, оно сбрасывается. Чтобы предотвратить сброс, вызванный отсутствием пути к адресату в таблице маршрутизации, сетевые администраторы вводят в таблицу маршрут по умолчанию. Он представляет собой интерфейс, через который маршрутизатор передает пакет с неизвестным IP-адресом сети назначения. Обычно он ведет к другому маршрутизатору, который может передать пакет в сеть назначения.

Отправка в удаленные сети

Когда хосту нужно отправить сообщение в удаленную сеть, приходится использовать маршрутизатор. Хост включает в пакет IP-адрес хоста назначения. Однако, при инкапсуляции пакета в кадр в качестве адреса назначения указывается MAC-адрес маршрутизатора. Таким образом, маршрутизатор получает и принимает кадр по MAC-адресу.

Как хост-источник определяет MAC-адрес маршрутизатора? Хост получает IPv4-адрес маршрутизатора на основе адреса основного шлюза, выбранного в настройках TCP/IP. Адрес основного шлюза - это адрес интерфейса маршрутизатора, подключенного к той же локальной сети, что и хост-источник. Для отправки сообщений маршрутизатору все хосты в локальной сети используют адрес основного шлюза. Выяснив IPv4-адрес основного шлюза, хост сможет определить MAC-адрес, используя протокол ARP. Далее MAC-адрес маршрутизатора помещается в кадр, адресованный узлу из другой сети.

Для каждого хоста в локальной сети важно правильно настроить основной шлюз. Если в настройках TCP/IP хоста основной шлюз не указан или указан неверно, сообщения, адресованные хостам в удаленных сетях, не доставляются.

IPv 4-адрес

Адрес IPv4 — это логический сетевой адрес конкретного хоста. Для обеспечения локального обмена данными этот адрес должен быть правильно настроенным и уникальным внутри локальной сети. Для обеспечения удаленного обмена данными этот адрес также должен быть правильно настроенным и уникальным в глобальном масштабе. Так хост может взаимодействовать с другими устройствами через Интернет.

Адрес IPv4 присваивается сетевому интерфейсу хоста. Обычно это сетевая интерфейсная плата (NIC), установленная в устройстве. Примерами пользовательских устройств с сетевыми интерфейсами могут служить рабочие станции, серверы, сетевые принтеры и IP-телефоны.

· Нулевые позиции в сложении не участвуют.

· Если все 8 бит имеют значение 0, 00000000, то значение октета равно 0.

· Если все 8 бит имеют значение 1, 11111111, значение октета — 255 (128+64+32+16+8+4+2+1).

· Если значения 8 бит отличаются, например, 00100111, значение октета — 39 (32+4+2+1).

Таким образом, значение каждого из четырех октетов находится в диапазоне от 0 до 255.

Сети и хосты

Логический 32-битный адрес IPv4 имеет иерархическую структуру и состоит из двух частей, как показано на рисунке. Обе части адреса IPv4 являются обязательными. Обе сети имеют маску подсети 255.255.255.0. Первая часть идентифицирует сеть, вторая — хост в этой сети.

Маски подсети

В домашних сетях и небольших бизнес-сетях чаще всего используются следующие маски подсети: 255.0.0.0 (8 бит), 255.255.0.0 (16 бит) и 255.255.255.0 (24 бита).

Чтобы вычислить количество возможных сетевых хостов, нужно возвести 2 в степень, равную количеству бит хостовой части (2 ^ 8 = 256). Из полученного результата необходимо вычесть 2 (256-2). Дело в том, что состоящий из одних единиц (1) раздел хоста в IPv4-адресе предназначен для адреса широковещательной рассылки и не может принадлежать конкретному хосту. Часть, состоящая только из нулей, является идентификатором сети и тоже не может быть присвоена конкретному хосту.

Частная адресация

Частные IPv4-адреса не являются уникальными и могут использоваться во внутренней сети.

В частности, блоками частных адресов являются:

10.0.0.0 /8 или от 10.0.0.0 до 10.255.255.255

172.16.0.0 /12 или от 172.16.0.0 до 172.31.255.255

192.168.0.0 /16 или от 192.168.0.0 до 192.168.255.255

Важно знать, что адреса в этих блоках адресов не допустимы для использования в Интернете и должны отфильтровываться (отклоняться) интернет-маршрутизаторами.

Большинство организаций использует частные IPv4-адреса для своих внутренних хостов. Однако эти адреса RFC 1918 не маршрутизируются в Интернете и должны быть преобразованы в публичные IPv4-адреса. Преобразование сетевых адресов (Network Address Translation, NAT) используется для преобразования частного IPv4-адреса в публичный IPv4-адрес. Это обычно выполняется на маршрутизаторе, который обеспечивает соединение между внутренней сетью и сетью ISP.

Одноадресная передача

Одноадресная передача используется для обычного обмена данными между хостами, как в сети типа «клиент/сервер», так и в одноранговой сети. Для одноадресной передачи пакетов в качестве адреса назначения используются адреса устройства назначения. Пакеты могут быть направлены через объединенную сеть.

В IPv4-сети индивидуальные адреса, применяемые к оконечному устройству, называются адресами хостов. Для одноадресной передачи адреса, присвоенные двум оконечным устройствам, используются в качестве IPv4-адресов источника и назначения. В процессе инкапсуляции хост источника использует свой IPv4-адрес как адрес источника, а IPv4-адрес хоста назначения как адрес назначения. Независимо от того, является ли адрес назначения, определивший пакет, одноадресным, широковещательным или многоадресным, адрес источника любого пакета всегда является адресом одноадресной передачи хоста источника.

IPv4-адреса хоста являются одноадресными и входят в диапазон адресов от 0.0.0.0 до 223.255.255.255. Однако в этом диапазоне есть множество адресов, зарезервированных для специальных целей. Такие адреса будут рассмотрены позже.

Широковещательная рассылка

Широковещательная передача используется для отправки пакетов всем хостам в сети через широковещательный сетевой адрес. Пакет широковещательной рассылки содержит IPv4-адрес назначения, в хостовой части которого присутствуют только единицы (1).

Широковещательные рассылки предусмотрены во многих сетевых протоколах, например DHCP. Когда хост получает пакет, отправленный на широковещательный сетевой адрес, хост обрабатывает пакет так же, как и пакет, отправленный на адрес одноадресной передачи.

Есть два типа широковещательной рассылки: прямая и ограниченная. Прямая широковещательная рассылка отправляется всем хостам в конкретной сети. Например, хост в сети 172.16.4.0/24 отправляет пакет на адрес 172.16.4.255. Ограниченная широковещательная рассылка отправляется на адрес 255.255.255.255. По умолчанию, маршрутизаторы не пересылают широковещательные рассылки.

Например, хост в пределах сети 172.16.4.0/24 отправляет широковещательную рассылку всем хостам внутри своей сети, используя пакет с адресом назначения 255.255.255.255.

Многоадресная рассылка

Многоадресная рассылка уменьшает трафик, позволяя хосту отправлять один пакет выбранной группе хостов, которые подписаны на группу многоадресной рассылки.

Для многоадресной рассылки в протоколе IPv4 зарезервированы адреса от 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Групповые IPv4-адреса от 224.0.0.0 до 224.0.0.255 зарезервированы для многоадресной рассылки в пределах локальной сети. Эти адреса используются для групп многоадресной рассылки в локальной сети. Маршрутизатор, подключенный к локальной сети, распознает, что эти пакеты адресованы локальной группе многоадресной рассылки, и не пересылает их дальше. Обычно зарезервированные локальные адреса применяются в протоколах маршрутизации с помощью многоадресной передачи для обмена данными маршрутизации.

Каждая группа многоадресной рассылки представлена одним групповым IPv4-адресом назначения. Когда IPv4-хост подписывается на группу многоадресной рассылки, он обрабатывает пакеты, адресованные на этот групповой адрес, а также пакеты, адресованные на его уникальный индивидуальный адрес.

Назначение адресов

Адреса IPv4 можно присваивать статически или динамически.

Используя статический адрес, сетевой администратор может вручную настраивать сетевые данные хоста. Как минимум это будет адрес IPv4, маска подсети и основной шлюз для хоста.

У статических адресов есть несколько преимуществ. Например, их полезно присваивать принтерам, серверам и другим сетевым устройствам, которые всегда должны быть доступны сетевым клиентам. Хосты не смогут обращаться к серверу, если его адрес IPv4 изменится.

Статическое присвоение адресов усиливает контроль над сетевыми ресурсами, но ввод информации для каждого хоста отнимает много времени. При статическом вводе хост выполняет только базовые проверки ошибок в адресе IPv4. Соответственно, риск возникновения ошибки больше.

При использовании статической IPv4-адресации важно вести точный перечень адресов и устройств, которым они присвоены. Кроме того, обычно эти постоянные адреса повторно не используются.

Откуда берутся адреса DHCP?

Когда вы подключаетесь к беспроводной сети в аэропорту или магазине, доступ в Интернет обеспечивает DHCP. При входе в зону связи установленный на портативном компьютере клиент DHCP связывается с локальным сервером DHCP через беспроводное соединение. DHCP-сервер присваивает ноутбуку адрес IPv4.

В качестве серверов DHCP могут выступать самые разные типы устройств при условии, что на них установлено служебное ПО DHCP. В большинстве средних и крупных сетей сервер DHCP — это локальный выделенный сервер на базе ПК.

В случае домашней сети DHCP-сервер может быть расположен у интернет-провайдера, а хост в домашней сети получает конфигурацию IPv4 непосредственно от интернет-провайдера, как показано на рисунке.

Во многих домашних сетях и сетях небольших организаций используются маршрутизатор беспроводной связи и модем. В данном случае маршрутизатор беспроводной связи выступает одновременно в качестве клиента и сервера DHCP. В качестве клиента он получает конфигурацию IPv4 от интернет-провайдера, а затем выполняет функции DHCP-сервера для внутренних хостов локальной сети. Маршрутизатор получает публичный адрес IPv4 от интернет-провайдера и в качестве DHCP-сервера распространяет частные адреса между внутренними хостами.

Помимо серверов на базе ПК и маршрутизаторов беспроводной связи, в редких случаях сервисы DHCP могут предоставлять клиентам и другие сетевые устройства, например выделенные маршрутизаторы.

IPv 6

Главное отличие IPv6 от IPv4 заключается в длине самого IP-адреса. Длина адреса IPv4 составляет 32 бита (4 байта). Длина адреса IPv6 увеличена до 128 бит (16 байт). При длине 128 бит можно создать достаточно адресов IPv6, чтобы выделить каждому человеку на планете больше интернет-адресов, чем все пространство IPv4. Протокол IPv6 должен обеспечить достаточное количество адресов с учетом будущего развития Интернета на много лет вперед.

Другие преимущества протокола IPv6:

· не требуется преобразование NAT; каждое устройство может иметь собственный, глобально маршрутизируемый адрес;

· возможности автоматической настройки упрощают администрирование адресов.

Помимо увеличенной длины, адреса IPv6 отличаются от IPv4 другими характеристиками. Некоторые различия перечислены далее:

· автоматическая настройка адреса — автоматическая настройка адреса без сохранения состояния (Stateless Address Autoconfiguration, SLAAC) позволяет хосту создать собственный адрес, маршрутизируемый в Интернете (глобальный индивидуальный адрес, или GUA), без DHCP-сервера; как показано на рисунке, при использовании метода по умолчанию хост получает префикс (сетевой адрес), длину префикса (маску подсети) и основной шлюз из объявления маршрутизатора; затем хост может создать собственный уникальный идентификатор интерфейса (раздел хоста в адресе), чтобы присвоить себе маршрутизируемый глобальный индивидуальный адрес;

· локальный адрес канала — используется при взаимодействии с устройством в одной и той же сети.

Сжатие адресов IPv6

Адреса IPv6 записываются в виде строки шестнадцатеричных значений. Каждые 4 бита представляются одной шестнадцатеричной цифрой, образуя 32 шестнадцатеричных значения. На рисунке показаны полностью развернутый адрес IPv6 и два способа сделать его более удобочитаемым. Существуют два правила, которые помогают сократить количество цифр, необходимых для представления адреса IPv6.

Правило 1. Пропуск начальных нулевых разрядов

Первое правило для сокращения записи IPv6-адресов — пропуск всех начальных нулей в каждой четверке шестнадцатеричных цифр. Например:

· 0DB8 можно представить в виде DB8;

· 0000 можно представить в виде 0;

· 0200 можно представить в виде 200.

Правило 2. Пропуск одного сегмента, состоящего из одних нулей

Второе правило для сокращения записи адресов IPv6 заключается в том, что двойное двоеточие (:: ) может заменить любую группу последовательно идущих сегментов, содержащих одни нули. Двойное двоеточие (:: ) может использоваться в адресе только один раз, иначе возникнет двусмысленность и данной записи будут соответствовать несколько возможных адресов.

ЦОД

Центр обработки данных (ЦОД) — это помещение, в котором располагаются компьютерные системы и соответствующие компоненты. ЦОД может занимать одно помещение в здании, один или несколько этажей или все здание. ЦОД обычно дорого создавать и обслуживать. По этой причине только крупные организации используют собственные ЦОД, чтобы размещать корпоративные данные и предоставлять услуги пользователям. Небольшие организации, которые не имеют собственного ЦОД, могут снизить общую стоимость владения, арендуя серверы и системы хранения в облачном ЦОД поставщика услуг.

Запрос веб-страниц

При обращении к веб-серверу для загрузки веб-страницы используется универсальный указатель ресурса (URL) для поиска сервера и определенного ресурса. В URL содержится следующая информация:

· используемый протокол (для веб-страниц это обычно HTTP);

· имя домена сервера, к которому производится обращение;

· расположение ресурса на сервере, например http: //example.com/example1/index.htm.

Операции протоколов

Далее перечислены различные протоколы, необходимые для обеспечения функций веб-страниц на четырех уровнях модели TCP/IP:

· Протокол уровня приложений — протокол HTTP регулирует способ взаимодействия веб-сервера с веб-клиентом. Протокол HTTP задает формат запросов и ответов на запросы, пересылаемых между клиентом и сервером. Для управления процессом передачи сообщений между клиентом и сервером HTTP обращается к другим протоколам;

· Протокол транспортного уровня — протокол TCP гарантирует надежную передачу IP-пакетов и повторную отправку любых пропущенных пакетов. TCP правильно упорядочивает пакеты, полученные в произвольной последовательности;

· Протокол межсетевого уровня — самым распространенным протоколом межсетевого взаимодействия является IP. IP-протокол отвечает за прием форматированных сегментов от TCP, присвоение им локальных адресов, их инкапсуляцию в пакеты для маршрутизации на хост назначения;

· Уровень сетевого доступа — конкретный протокол уровня сетевого доступа зависит от типа среды и способов передачи данных в физической сети.

TCP и UDP

Транспортные протоколы устанавливают способ управления передачей сообщений между хостами. Наиболее популярными из транспортных протоколов являются протокол управления передачей (TCP) и протокол пользовательских датаграмм (UDP). IP-протокол использует эти транспортные протоколы для обеспечения связи иОдин из механизмов, который гарантирует надежную доставку, — протокол TCP.

TCP

Если приложению требуется подтверждение доставки сообщения, оно использует протокол TCP. передачи данных между хостами.

Протокол TCP на принимающем хосте отвечает за повторную сборку сегментов сообщений и их передачу соответствующему приложению. FTP и HTTP — это примеры приложений, в которых для обеспечения доставки данных применяется протокол TCP.

UDP

Протокол UDP выполняет негарантированную доставку данных и не запрашивает подтверждения от получателя. Протокол UDP более предпочтителен, например, для потоковой передачи аудио и голосовой связи по IP-протоколу (VoIP). Подтверждение доставки лишь замедлит процесс передачи данных, и при этом повторная доставка нежелательна.

DNS-серверы

В DNS-сервере записана специальная таблица, ассоциирующая имена хостов в домене с соответствующим IP-адресом. Если клиент знает имя сервера, например веб-сервера, но должен найти IP-адрес, он отправляет запрос DNS-серверу на порт 53. Клиент использует IP-адрес DNS-сервера, настроенный в параметрах DNS IP-конфигурации хоста.

По получении запроса DNS-сервер выясняет по своей таблице, имеется ли соответствие между запрашиваемым IP-адресом и веб-сервером. Если на DNS-сервере отсутствует запись о запрашиваемом имени, он опрашивает другой DNS-сервер в пределах своего домена. После распознавания IP-адреса DNS-сервер отправляет результат обратно к клиенту. Если DNS-серверу не удалось определить IP-адрес, клиент не сможет установить связь с этим веб-сервером и получит сообщение об истечении времени ожидания.

HTTP и HTML

После получения IP-адреса веб-сервера веб-клиентом обозреватель на стороне клиента инициирует запрос веб-служб по этому IP-адресу и направит его через порт 80. Этот запрос отправляется на сервер по протоколу передачи гипертекстовых файлов (HTTP).

После приема запроса на порт 80 сервер отвечает на клиентский запрос и отправляет клиенту запрашиваемую веб-страницу. Информационное наполнение веб-страницы кодируется с помощью специализированных языков разметки. При помощи HTML-кода браузер определяет формат веб-страницы и требуемые рисунки и шрифты. HTML является наиболее распространенным языком, но сегодня растет популярность и других языков, таких как XML и XHTML.

Протокол HTTP не является безопасным; информация может быть легко перехвачена при передаче по сети. Для обеспечения безопасности данных возможны комбинации протокола HTTP с безопасными транспортными протоколами. Запросы по протоколу SHTTP отправляются на порт 443. Для этих запросов нужно указать в адресе сайта в браузере https:, а не http.

На рынке предлагается множество различных веб-серверов и веб-клиентов. Протокол HTTP и стандарты HTML обеспечивают беспрепятственное взаимодействие серверов и клиентов от разных поставщиков.

Передача файлов

Протокол передачи файлов (FTP) обеспечивает простой обмен файлами между компьютерами. Хост, на котором выполняется программное обеспечение FTP-клиента, обращается к FTP-серверу, который выполняет различные функции управления файлами, в том числе выгрузка и загрузка файлов.

FTP-сервер обеспечивает обмен файлами между клиентом и устройствами. С помощью FTP-сервера клиент может также управлять файлами удаленно, например, с помощью команд удаления или переименования файлов. Для этого служба FTP использует два порта обмена данными между клиентом и сервером.

Программное обеспечение FTP-клиента встроено в операционную систему компьютера, а также в большинство веб-обозревателей. В автономных FTP-клиентах предусмотрен целый ряд удобных функций управления через графический интерфейс.

Использование Telnet

Протокол Telnet появился в начале 1970-х гг. и является одним из самых старых протоколов и сервисов уровня приложений в наборе TCP/IP. Telnet предоставляет стандартный способ эмуляции текстовых терминальных устройств в сети данных. И сам протокол, и реализующее его клиентское ПО обычно называются Telnet. Серверы Telnet принимают клиентский запрос на порте TCP 23.

Подключение по протоколу Telnet называется сеансом или подключением виртуального терминала (VTY). Вместо подключения к серверу с помощью физического устройства Telnet использует ПО для создания виртуального устройства, обеспечивающего те же функции терминального сеанса с доступом к интерфейсу командной строки сервера.

В качестве примера на рисунке изображен клиент, удаленно подключенный к серверу с помощью Telnet. Теперь клиент может выполнять команды, как если бы он был локально подключен к серверу.

Примечание. Протокол Telnet не считается защищенным. Вместо него в большинстве случаев следует использовать SSH. Telnet используется в нескольких примерах данного курса для простоты конфигурации.

По соображениям безопасности в качестве альтернативного средства доступа к серверу необходимо использовать протокол SSH. Протокол SSH обеспечивает защищенный удаленный вход в систему и другие защищенные сетевые сервисы. Кроме того, он обеспечивает повышенную, по сравнению с протоколом Telnet, защиту при аутентификации и поддерживает шифрование потока передаваемых данных. Сетевым специалистам следует по возможности использовать протокол SSH вместо Telnet.

Протоколы электронной почты

· Протокол простой передачи электронной почты (SMTP)

Протокол SMTP используется программой клиента электронной почты для отправки сообщений на локальный сервер электронной почты. Далее локальный сервер определяет, кому адресовано сообщение - локальному почтовому ящику или почтовому ящику на другом сервере.

Протокол SMTP применяется при взаимодействии с разными серверами, например, если требуется отправка сообщения на другие серверы. SMTP-запросы направляются на порт 25.

· Протокол почтового отделения (POP3)

POP-сервер принимает и хранит сообщения для своих пользователей. После того, как установлено соединение между клиентом и сервером электронной почты, сообщения будут загружены на компьютер клиента. По умолчанию сообщения не сохраняются на сервере после их прочтения клиентом. Клиенты обращаются к серверам POP3 через порт 110.

· Протокол IMAP4

IMAP-сервер также принимает и сохраняет сообщения, адресованные его пользователям. Тем не менее при использовании протокола IMAP, в отличие от POP, сообщения сохраняются в почтовых ящиках на сервере, если сам пользователь не удалит их. В самой последней версии протокола IMAP — IMAP4 запросы от клиентов прослушиваются через порт 143.

На разных платформах сетевых операционных систем используются различные серверы электронной почты.