Курс лекций по дисциплине "Информационные технологии"

 

Лекция2 «Информационные технологии в Интернет»

 

 

Всемирная сеть в настоящее время концентрирует в себе массу информационных технологий. Описанию всех этих технологий можно посвятить несколько томов подобно большой энциклопедии СССР. Никак в одну лекцию это не уложиться. Поэтому остановимся на некоторых основных технологиях, которые лежат в основе функционирования Интернета.

Первое что нужно прояснить  является архитектура глобальной сети, для которой эти технологии создаются.

 

Архитектура клиент-сервер

 

Начнем с самого главного — архитектуры сети. Существуют две основные архитектуры сети: одноранговая (peer-to-peer) и клиент/сервер (client/server), причем вторая практически вытеснила первую.,В одноранговой сети все компьютеры равны — имеют один ранг. Любой компьютер может выступать как в роли сервера, то есть предоставлять свои ресурсы (файлы, принтеры) другому компьютеру, так и в роли клиента, другими словами - использовать предоставленные ему ресурсы. Одноранговые сети преимущественно распространены в домашних сетях или небольших офисах. В самом простом случае для организации такой сети нужно всего лишь пара компьютеров, снабженных сетевыми платами и коаксиальный кабель (нужна еще пара терминаторов (заглушек), но я обещал сильно не углубляться). Когда сеть создана физически (компьютеры связаны с помощью коаксиального кабеля), нужно настроить сеть программно. Для этого необходимо, чтобы на компьютерах были установлены сетевые операционные системы (Linux, FreeBSD, Windows NT, Windows 98) или сетевые системы с поддержкой сетевых функций (Windows 95, Windows for Workgroups). Компьютеры в одноранговой сети объединяются в рабочие группы. Каждая рабочая группа имеет свой идентификатор — имя рабочей группы. Для примера допустим, что в вашей одноранговой сети три компьютера А, В, С. Первые два входят в рабочую группу WG1, а компьютер С — в рабочую группу WG2

Даже несмотря на то, что компьютеры входят в один сегмент сети (физически подключены к одному кабелю), компьютеры А и В не будут ≪видеть≫ компьютер С, а компьютер С не будет видеть компьютеры А и В. Если выполнить команду поиска компьютера, компьютер ≪увидит≫ компьютеры А и В, но будет сообщено, что они находятся в другой рабочей группе — WG1. Единственное ограничение доступа, которое возможно в одноранговой сети, это использование пароля для доступа к какому-нибудь ресурсу. Для того, чтобы получить доступ к этому ресурсу, например, принтеру, нужно знать пароль. Это называется управлением доступом на уровне ресурсов. В сети клиент/сервер используется другой способ управления доступом на уровне пользователей. В этом случае можно разрешить доступ к ресурсу только определенным пользователям. Например, ваш компьютер А через сеть могут использовать два пользователя: Иванов и Петров. К этому компьютеру подключен принтер, который можно использовать по сети. Но вы не хотите, чтобы кто угодно печатал на вашем принтере, и установили пароль для доступа к этому ресурсу. Если у вас одноранговая сеть, то любой, кто узнает этот пароль,

сможет использовать ваш принтер. В случае с сетью клиент/сервер вы можете разрешить использовать ваш принтер только Иванову или только Петрову (можно и обоим). Для получения доступа к ресурсу в сети клиент/сервер пользователь должен ввести свой уникальный идентификатор — имя пользователя (login —логин) и пароль (password). Логин пользователя является общедоступной информацией и это правильно: возможно, если кто-нибудь захочет отправить пользователю сообщение по электронной почте, то для этого ему достаточно знать его логин (естественно, и имя сервера электронной почты,

который ≪знает≫ этого пользователя). Использование логина и пароля для доступа к ресурсам называется аутентификацией пользователя (user authentication). Существуют и другие виды аутентификации, например, аутентификация источника данных или однорангового объекта, но сейчас мы рассматривать их не будем. В любом случае, аутентификация — это проверка подлинности. После рассмотрения архитектуры одноранговой сети можно прийти к выводу, что единственное преимущество этой архитектуры — это ее простота и дешевизна. Сети клиент/сервер обеспечивают более высокий уровень производительности и безопасности. В отличие от одноранговой сети, в сети клиент/сервер существует один или несколько главных компьютеров — серверов. Все остальные компьютеры сети называются клиентами или рабочими станциями (workstations). Как я уже писал выше, сервер — это специальный компьютер, который предоставляет определенные услуги другим компьютерам. Существуют различные виды серверов (в зависимости от предоставляемых ими услуг): серверы баз данных, файловые серверы, серверы печати (принт-серверы), почтовые серверы, Web-серверы и т.д.

 

IP – адресация в сети

 

Теперь пора уже перейти к протоколам, в частности, к протоколу TCP/IP, который лежит в основе сети Интернет. Протокол - это совокупность правил, определяющая взаимодействие абонентов вычислительной системы (в нашем случае — сети) и описывающая способ выполнения определенного класса функций. Еще один термин, который мы будем часто употреблять - интерфейс. Интерфейс — это средства и правила взаимодействия компонент системы между собой. Протокол и интерфейс можно сравнить еще и так: разговор двух директоров разных предприятий можно назвать протоколом, а разговор директора и подчиненного одного предприятия можно считать интерфейсом. Как вы уже догадались, разговор сотрудников разных предприятий будет протоколом. Теперь, когда мы уже знаем, что означает слово ≪протокол≫, перейдем к рассмотрению основных протоколов.

Самым главным — святыней всех святынь — является протокол TCP/IP. TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol — Протокол Управления Передачей/Интернет-протокол) — это базовый транспортный сетевой протокол. На этом протоколе основана вся сеть Интернет.

В этом разделе давайте рассмотрим, как передается информация в TCP/IP-сети. Любая информация передается небольшими порциями, которые называются пакетами. Если нужный объем информации нельзя передать одним пакетом, он разбивается на части. В заголовке каждого пакета указывается IP-адрес отправителя и IP-адрес получателя, а также номер порта. Любому компьютеру в IP-сети (TCP/IP-сети) назначен уникальный адрес, который называется IP-адресом. IP-адрес — это 32-разрядное число, которое принято записывать в десятеричном или шестнадцатеричном формате в виде четырех чисел, разделенных точками, например:

1. 111.111.213.232

2. 127.0.0.1

3. 192.168.9.2

При условии, что ваша сеть подключена к Интернет, протокол TCP/IP обеспечивает работу вашей сетевой программы с любым компьютером в мире, как будто тот находится в локальной сети. Уникальность IP-адреса достигается достаточно просто — IP-адреса назначаются централизованно

Сетевым Информационным Центром (NIC, Network Information Center). Для понимания остальной информации нужно отметить, что существуют локальные (LAN, Local Area Networks) и региональные (Wide Area Networks) сети. Сеть Интернет сначала была региональной (Arpanet), а потом стала глобальной, объединив все региональные сети мира. Если ваша локальная (или даже региональная) сеть не соединена с Интернет, то внутри сети вы можете использовать любые IP-адреса без согласования с NIC. Обычно в локальных сетях используются особые IP-адреса, о которых мы поговорим немного позже. Любую сеть, независимо от типа — LAN или WAN, можно разделить на подсети. Причины разбиения сети на подсети кроются в ранних версиях протокола IP. Тогда существовало несколько сетей класса А, содержащих несколько миллионов узлов (о классах читайте далее). Помимо всего прочеего, в таких сетях очень велика вероятность коллизий, то есть одновременного доступа двух или более узлов к среде передачи данных. Управлять такой сетью крайне неудобно, да и сеть будет перегружена собственным трафиком. К другим причинам разделения относят создание маленьких подсетей с использованием разных технологий — Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM. Вы не можете смешивать эти технологии в одной сети, однако они могут быть взаимосвязаны с помощью разделения на подсети. Разделение на подсети может быть также произведено из соображений безопасности. Более подробно об этой и других причинах разделения сети

на подсети вы можете прочитать в руководстве IP Sub-networking-HOWTO, которое вы найдете на прилагаемом компакт-диске. Как я уже писал, каждый компьютер в сети имеет свой уникальный адрес. Но оказывается, что и сеть (подсеть) также имеет свой уникальный адрес. Под сетью можно понимать ≪пачку≫ IP-адресов, идущих подряд, то

есть 192.168.1.0...192.168.1.255. Самый младший и самый старший адреса резервируются. Младший (192.168.1.0) является адресом сети, а старший является широковещательным (broadcast) адресом сети. Адрес сети может потребоваться, когда нужно указать всю сеть (подсеть), например, при задании маршрутизации для этой сети. Представьте, что у вас есть две отдельных сети и вам нужно объединить их в одну. Тогда эта одна ≪большая≫ сеть станет называться сетью, а две ≪маленькие≫ — подсетями. Устройство, которое будет обеспечивать связь

этих сетей (маршрутизацию), называется, как уже было отмечено выше, маршрутизатором. Маршрутизатор может быть как аппаратным (отдельное устройство), так и программным.

В роли программного маршрутизатора может выступать любой компьютер с двумя (или более) сетевыми интерфейсами, например, двумя сетевыми платами. В качестве операционной системы может быть установлена любая сетевая операционная система, поддерживающая перенаправление пакетов IPv4-Forwarding. Такой операционной системой может быть Linux, FreeBSD, любая UNIX-система, Windows NT/2000. Маршутизатор можно настроить и на базе Windows 98, но делать это я не рекомендую, поскольку вряд ли он будет работать надежно. Традиционно в роли маршрутизатора используются UNIX-системы, к которым относится и Linux. Широковещательный адрес используется для передачи сообщений ≪всем — всем — всем≫ в рамках сети, то есть когда нужно передать сообщение (пакет) сразу всем компьютерам сети. Широковещательные запросы очень часто используются, например, для построения ARP-таблиц. Для каждой подсети определена ее маска. Фактически, маска — это размер сети, • то есть число адресов в сети. Маску принято записывать в десятично-побайтном виде:

255.255.255.0 маска на 256 адресов (0...255);

255.255.255.192 маска на 64 адреса (192...255);

255.255.0.0 маска на 65536 адресов (256*256).

В общем случае IP-сети делятся на пять классов: А, В, С, D и Е.

Сети класса А — это огромные сети. Маска сети класса А: 255.0.0.0. В каждой сети такого класса может находиться 16777216 адресов. Адреса таких сетей лежат в промежутке 1.0.0.0...126.0.0.0, а адреса хостов (компьютеров) имеют вид 125.*.*.*

Сети класса В — это средние сети. Маска такой сети — 255.255.0.0. Эта сеть содержит 65536 адресов. Диапазон адресов таких сетей 128.0.0.0...191.255.0.0. Адреса хостов имеют вид 136.12.*.*

Сеть класса С — маленькие сети. Содержат 256 адресов (на самом деле всего 254 хоста, так как номера 0 и 255 зарезервированы). Маска сети класса С - 255.255.255.0. Интервал адресов: 192.0.1.0...223.255.255.0. Адреса хостов имеют вид: 195.136.12.*

Теперь самое время немного сказать о специальных адресах, о которых я упомянул немного выше. Если весь IP-адрес состоит из нулей (0.0.0.0), то значит, что он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет. Адрес 255.255.255.255 — это широковещательный адрес. Пакет с таким адресом будет рассылаться всем узлам, которые находятся в той же сети, что и источник пакета. Это явление называется ограниченным широковещанием. Существует также другая рассылка, которая называется широковещательным сообщением. В этом случае вместо номера узла стоят все единицы в двоичном представлении (255). Например, 192.168.2.255. Это означает, что данный пакет будет рассылаться всем узлам сети 192.168.2.0. Особое значение имеет IP-адрес 127.0.0.1 — это адрес локального компьютера. Он используется для тестирования сетевых программ и взаимодействия сетевых процессов. При попытке отправить пакет по этому адресу данные не передаются по сети, а возвращаются протоколам верхних уровней, как только что принятые. При этом образуется как бы ≪петля≫. Этот адрес называется loopback. В IP-сети запрещается использовать IP-адреса, которые начинаются со 127. Любой адрес подсети 127.0.0.0 относится к локальному компьютеру, например: 127.0.0.1, 127.0.0.5, 127.77.0.6. Существует также специальные адреса, которые зарезервированы для

несвязанных локальных сетей — это сети, которые используют протокол IP, но не подключены к Интернет. Вот эти адреса:

10.0.0.0 (сеть класса А, маска сети 255.0.0.0).

172.16.0.0...172.31.0.0 (16 сетей класса В, маска каждой сети 255.255.0.0).

192.168.0.0...192.168.255.0 (256 сетей класса С, маска каждой сети 255.255.255.0).

 

Многоуровневая архитектура стека TCP/IP

 

Вначале давайте рассмотрим историю создания протокола TCP/IP. Протокол TCP/IP был создан в конце 60-х — начале 70-х годов агентством DARPA Министерства Обороны США (U.S. Department of Defense Advanced Research Projects Agency)

 

Протоколы семейства TCP/IP можно представить в виде модели, состо-

ящей из четырех уровней: прикладного, основного, межсетевого и сетевого

 

Уровень 1	Прикладной уровень (уровень приложения, Application Layer)
Уровень 2	Основной (транспортный) уровень (Transport Layer)
Уровень 3	Межсетевой уровень (уровень Internet, Internet Layer)
Уровень 4	Уровень сетевых  интерфейсов (Network Interface Layer)

Каждый из этих уровней выполняет определенную задачу для организации надежной и

производительной работы сети.

 

Уровень сетевого интерфейса

Данный уровень лежит в основании всей модели протоколов семейства TCP/IP. Уровень сетевого интерфейса отвечает за отправку в сеть и прием из сети кадров, которые содержат информацию. Кадры передаются по сети как одно целое. Кадр(frame) — это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Для обозначения блоков данных определенных уровней используют термины кадр (frame), пакет (packet), дейтаграмма (datagram), сегмент (segment). Все эти термины обозначают транспортируемые отдельно блоки данных и их можно считать синонимами. Название блока пересылаемых данных изменяется в зависимости от уровня

 

Межсетевой уровень

Протоколы Интернет инкапсулируют блоки данных в пакеты (дейтаграммы) и обеспечивают необходимую маршрутизацию. К основным Интернет-протоколам относятся:

IP (Internet Protocol)....предназначен для отправки и маршрутизации пакетов.

ARP (Address Resolution Protocol) ... используется для получения МАС-адресов (аппаратных адресов) сетевых адаптеров.

ICMP (Internet Control Message Protocol) ... предназначен для отправки извещений и сообщений об ошибках при передаче пакетов.

IGMP (Internet Group Management Protocol)... используется узлами для сообщения маршрутизаторам, которые поддерживают групповую передачу, о своем участии в группах.