Лекция 7

6.4. Глобальная информационная сеть.

6.5. Принципы функционирования Интернет. Модель взаимодействия открытых систем.

По существу, Интернет представляет собой инфраструктуру, объединяющую огромное количество локальных сетей. Интернет – это объединение мощных компьютеров, которые управляют отдельными сетями, таким образом превращающееся в глобальную магистраль, дающую доступ к информации, хранящейся на компьютерах тех самых локальных сетей.

Своим происхождением Интернет обязан Пентагону и «холодной войне». Изначально общей сетью объединялись объекты военной инфраструктуры (военные объекты, университеты, коммерческие подрядчики военного ведомства и т.п.) В то время централизация вычислительных операций была признана ненадежной, т.к. могла привести к сбоям в экстремальных ситуациях. Позже, в 1960-х годах, была построена сеть с двумя, а затем и более, вычислительными узлами, что обеспечило работоспособность сети при выходе из строя одного или нескольких вычислительных компьютеров. Эта сеть получила название ARPAnet (от Advanced Research Project Agency – Управление перспективных исследовательских программ США). Именно на базе ARPAnet и была построена сеть Интернет.

В настоящее время Интернет предоставляет следующие возможности:

· доступ к файлам, хранящимся на любом из Интернет-серверов (просмотр Интернет-сайтов, загрузка файлов);

· обмен данными между двумя пользовательскими компьютерами (электронная почта, IM);

· групповое общение в режиме реального времени (чат, форум, конференции).

В более общем смысле Интернет позволил людям полноценно контактировать не учитывая географического фактора. Сложно переоценить вклад Интернета в развитие мировой экономики, так как возможность обмена полноценной, экономически значимой информацией в кратчайшие сроки, с максимальной вероятностью доставки без учета территориальной удаленности – это и есть тот краеугольный камень, на котором держится, и вполне надежно, полезность Интернета как коммуникационной среды.

Принцип построения сети Интернет показан на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Принципиальная схема построения сети Интернет

Каждый узел на изображенной выше схеме – это отдельный компьютер. Для того, чтобы компьютеры могли передавать друг другу информацию, необходима единая для всего Интернета система назначения адресов (точно также Почта России не сможет доставить письмо до нужного Вам человека не имея его точного почтового адреса, или Ваша почтовая программа (Outlook, The Bat) не отправит электронное письмо, если Вы не укажете уникальный адрес электронной почты адресата). Адреса компьютеров в сети Интернет называются IP-адресами.

IP – межсетевой протокол (internet protocol) или определенный набор правил передачи информации посредством Глобальной сети.

Совместно с межсетевым протоколом (IP) используется и TCP – протокол управления передачей (transmission control protocol). Наиболее часто эти протоколы упоминаются как связка протоколов TCP/IP, так как именно в паре они обеспечивают основные функции сети Интернет. Отличительной особенностью данной связки протоколов является универсальность их применения. В общем виде процесс передачи информации с одного компьютера на другой выглядит следующим образом: программа на компьютере А разбивает файл, предназначенный для передачи по сети, на несколько частей. Размер каждой из них зависит от настроек программы и характеристик подключения к Интернету. Каждый отрезок разбитого файла «упаковывается» в оболочку («маркер»). Маркер содержит информацию о порядковом номере отрезка, его размере, количестве отрезков, отправителе, получателе и другую служебную информацию. В зависимости от того, какой программой отправляется файл, количество служебной информации в «маркере» может быть больше или меньше.

Попробуйте отправить рисунок электронной почтой. При этом запомните размер рисунка. Затем, вложив рисунок в сообщение, отправьте его. В папке «Исходящие» посмотрите на размер сообщения, он окажется больше размера самого рисунка примерно на 20-30% в зависимости от размера рисунка. Так рисунок размером в 428 кБ отправится в форме электронного письма размером 575 кБ.

Затем каждый сформированный пакет (отрезок файла с «маркером») по отдельности отправляется по сети к требуемому компьютеру по указанному пользователем (или назначенному по умолчанию) IP-адресу. Для надежности все пакеты отправляются в том порядке, в котором отделялись от файла отрезки, вложенные в него.Каждый пакет, пройдя через множество различных компьютеров, не являющихся адресатами, в итоге достигает (или же нет) адресата. Компьютер-адресат приняв пакеты проверяет их целостность, наличие всех пакетов и собирает их обратно в файл.

Информация, содержащаяся в отрезке, никак не участвует в транспортировке, для этого используется лишь «маркер», который и дает возможность перемещать совершенно любую информацию между любыми компьютерами.

Попробуйте загрузить из Интернета файл для программы, не установленной на Вашем ПК, например, файл формата *.psd (для Photo Shop). Если Ваш компьютер не умеет обрабатывать файлы с данным расширением (на нем не установлен Photo Shop), Вы все равно сможете загрузить этот файл.

Таким образом, использование протоколов TCP/IP позволяет обмениваться информацией между компьютерами с различным программным обеспечением, различными техническими характеристиками, наконец, различным функциональным назначением. Именно унифицированная система обмена данными позволила значительно облегчить процесс взаимодействия между различными людьми, компаниями, культурами в целом.

Как было сказано выше, для идентификации конкретного компьютера в Интернете, а также локальных компьютерных сетей, используются IP-адреса. Компьютеры, принадлежащие одной сети (например, компьютеры, с которых выходят в Интернет с помощью карточек ОАО «Волга-Телеком») имеют схожие IP-адреса. Это обусловлено тем, что сама компания Волга-Телеком имеет право использовать только определенный диапазон IP-адресов. Таким образом, зная IP-адрес компьютера можно определить, к какой сети он принадлежит. А так как провайдеры в основном действуют на определенной территории, не сложно определить и регион, которому принадлежит компьютер.

Сам IP-адрес выглядит как последовательность из четырех чисел, разделенных тремя точками. Каждое число состоит максимум из трех цифр.

Пример IP-адреса: 117 . 5 . 23 . 202

Каждая секция (число) имеет название «октет» (октет - это восьмерка битов, в обыденном понимании представленная числом от 0 до 255). Адрес сети занимает от одного до трех октетов и безусловно четыре октета - это адрес конкретного компьютера.

Все сети, входящие в Интернет, классифицируются определенным образом (см. Таблицу 1.1).

Таблица 1.1

Диапазон IP-адресов Класс сети Макс. кол-во узлов сети Макс. кол-во сетей
001.ххх.ххх.ххх - 126.ххх.ххх.ххх А 16 777 214
128.000.ххх.ххх - 191.255.ххх.ххх В 65 534 16 382
192.000.000.ххх - 223.255.255.ххх С 2 097 150

Источник: книга 2

В целом IP-адрес состоит из адреса сети, адреса подсети и адреса узла (конкретного компьютера). Здесь можно провести аналогию с телефонией, где номер телефона состоит из кода страны, кода города и внутреннего номера абонента.

IP-адрес, первый октет которого равен 127, используется для тестирования программ и взаимодействия процессов в пределах одной машины. Когда программа посылает данные по IP-адресу 127.0.0.1, то образуется как бы «петля». Данные не передаются по сети, а возвращаются модулям верхнего уровня, как только что принятые. Поэтому в IP-сети запрещается присваивать машинам IP-адреса, начинающиеся со 127.

В самом начале развития Интернета все IP-адреса заносились в host-листы (host - любое устройство, подключенное к сети и использующее протоколы TCP / IP). Они, по типу телефонных справочников, распространялись среди пользователей Интернета, периодически обновляясь. Распространение Интернета привело к возникновению сервиса доменных имен (DNS - Domain Name Service). DNS бы выделен в самостоятельный протокол. DNS-протокол необходим для доступа к базе данных, которая ассоциирует доменные имена с IP-адресами.

Доменное имя состоит из одного или нескольких поддоменов, разделенных точками. Порядок иерархии доменных имен задается справа на лево. Во главе иерархии стоят домены первого уровня, находящиеся во владении Корпорации распределения доменных имен (ICANN - Internet Corporation for Assigned Names and Numbers). В настоящее время предлагаются следующие домены первого уровня: com - для коммерческих организаций, gov - для правительственных, net - поставщикам сетевых услуг, tv - телевизионным организациям, info - для СМИ, edu - для образовательных учреждений и т.п. Существует также и национальная система распределения доменов 1-го уровня: ru - для России, uk - Объединенное Королевство и т.п. Однако тематика сайта может попадать под любую из систем распределения доменов, так что зачастую бывает сложно угадать, на каком из них расположен нужный Вам ресурс.

Домены второго и более уровней «раздаются» уже более свободно. Так, зарегистрировав за собой домен NAME.RU, его владелец может на свое усмотрение раздавать доменные имена третьего уровня, например DOMAIN.NAME.RU.

Когда пользователь желает подключиться к ресурсу (например, http://www.mail.ru/), его браузер (browser или программа для просмотра Интернет-сайтов) или другая программа обращается к DNS-серверу, IP-адрес которого прописан в настройках TCP/IP-соединения узла, с запросом на IP-адрес сайта http://www.mail.ru/. Если DNS-серверу он известен, тот отвечает. Иначе - переправляет запрос другому DNS-серверу, который, возможно способен предоставить IP-адрес требуемого узла.

Как было упомянуто выше, связка протоколов TCP/IP предназначена для объединенной сети, состоящей из соединенных друг с другом шлюзами отдельных разнородных сетей, к которым подключаются разнородные машины. Каждая из этих сетей работает в соответствии со своими специфическими требованиями и имеет свою природу средств связи. Однако предполагается, что каждая сеть может принять пакет информации (данные с соответствующим сетевым заголовком) и доставить его по указанному адресу в этой конкретной сети. Не требуется, чтобы сеть гарантировала обязательную доставку пакетов. Таким образом, две машины, подключенные к одной сети, могут обмениваться пакетами.

Когда необходимо передать пакет между машинами, подключенными к разным сетям, то машина-отправитель посылает пакет в соответствующий шлюз (шлюз подключен к своей сети, сети более высокого уровня, также как обычный узел). Оттуда пакет направляется по определенному маршруту через систему шлюзов и подсетей, пока не достигнет шлюза, подключенного к той же псети, что и машина-получатель; там пакет направляется к получателю. Объединенная сеть обеспечивает датаграммный сервис, т.е. сервис передачи пакетов информации.

Проблема доставки пакетов в такой системе решается путем реализации во всех узлах и шлюзах межсетевого протокола IP. Межсетевой уровень является по существу базовым элементом во всей архитектуре протоколов, обеспечивая возможность стандартизации протоколов верхних уровней.

Для реализации различных функций сети Интернет используются протоколы, основанные на связке протоколов TCP/IP. К ним относятся:

· ARP

· UDP

· TCP

· TELNET

· FTP

· SMTP

· NFS

ARP - адресный протокол (Address Resolution Protocol). Он используется для преобразования IP-адресов в Ethernet-адреса, т.е. адреса узлов, принадлежащий к одной (локальной) сети. Пример Ethernet-адреса - 08:00:39:00:2F:C3, где каждая позиция отображается в 16-ричной системе счисления. Эти адреса уникальны и они назначаются производителями сетевых плат. При этом имеется жесткая привязка Ethernet-адреса к сетевой плате.

UDP - протокол пользовательских датаграмм (User Datagram Protocol). UDP является одним из двух основных протоколов, расположенных непосредственно над IP. Он предоставляет прикладным процессам (например, MS Outlook Express, ICQ, Internet Explorer) транспортные услуги, которые не многим отличаются от услуг, предоставляемых протоколом IP. Протокол UDP обеспечивает ненадежную доставку датаграмм и не поддерживает соединений из конца в конец. К заголовку IP-пакета («маркеру») он добавляет два поля. Поле «порт», обеспечивает мультиплексирование информации между разными прикладными процессами, а именно позволяет нескольким программам одновременно использовать существующее соединение с Интернетом.

Будет уместным сравнить «мультиплексирование» с многополосным движением на автомагистралях. Интернет является своего рода магистралью с множеством полос, а каждая программа - своего рода автомобиль. Гораздо целесообразней каждому автомобилю двигаться по своей, заранее определенной, полосе. UDP для каждой программы назначает отдельную полосу (порт), по которой и происходит обмен информацией. При этом ширина полосы (количество информации, передаваемой по порту) - величина не постоянная и зависит целиком от свойств соединения.

Поле «контрольная сумма» позволяет поддерживать целостность данных (каждый IP-пакет, опять же, нумеруется и проставляется общее количество пакетов, формирующих один файл).

Каждый UDP-порт имеет свой номер, также отображаемый в заголовке UDP-пакета. Ряд приложений имеют фиксированные номера портов (например, ICQ - 5190), для некоторых номера портов присваиваются вручную. Основное правило нумерации UDP-портов - парность, т.е. номер порта во взаимодействующих приложениях на различных узлах должен совпадать, иначе пакет не достигнет получателя, так как каждое приложение отправляет и получает информацию ТОЛЬКО через один или несколько портов.

TCP - протокол, обеспечивающий надежную передачу данных. Вместо ненадежной доставки датаграмм без установления соединений, он обеспечивает гарантированную доставку с установлением соединений в виде байтовых потоков. При этом сам сервис TCP не формирует пакетов, однако после отправки определенной части информации он требует подтверждения от получателя. TCP-соединение является дуплексным, т.е. разбивается на 2 потока, информация по которым может транспортироваться одновременно. При использовании протокола TCP каждое приложение также использует порты (TCP-порты).

TELNET - один из старейших протокол на базе TCP. То есть в качестве системы транспортировки данных он использует надежное соединение двух узлов. TELNET обеспечивает передачу информации строчного типа, но также позволяет передавать файлы. Наиболее известным приложением на базе протокола TELNET является Hyper Terminal, позволяющий двум ПК через модемное соединение (друг с другом) обмениваться текстовой информацией и файлами.

FTP - протокол передачи файлов (File Transfer Protocol). Он является одним из старейших протоколов семейства TCP/IP. Также как TELNET он пользуется транспортными услугами TCP. Существует множество реализаций для различных операционных систем, которые хорошо взаимодействуют между собой (Total Commander, большинство браузеров, Проводник Windows наконец). Пользователь FTP может вызывать несколько команд, которые позволяют ему посмотреть каталог удаленной машины, перейти из одного каталога в другой, а также скопировать один или несколько файлов.

SMTP - простой протокол передачи почты (Simple Mail Transfer Protocol). Поддерживает передачу сообщений (электронной почты) между произвольными узлами сети Интернет. Имея механизмы промежуточного хранения почты и механизмы повышения надежности доставки, протокол SMTP допускает использование различных транспортных служб. Он может работать даже в сетях, не использующих протоколы семейства TCP/IP. Протокол SMTP обеспечивает как группирование сообщений в адрес одного получателя, так и размножение нескольких копий сообщения для передачи в разные адреса.

NFS - сетевая файловая система (Network File System). впервые была разработана компанией Sun Microsystems Inc. NFS использует транспортные услуги UDP и позволяет монтировать в единое целое файловые системы нескольких машин с ОС UNIX. Бездисковые рабочие станции получают доступ к дискам файл-сервера так, как будто это их локальные диски.

NFS значительно увеличивает нагрузку на сеть. Если в сети используются медленные линии связи, то от NFS мало толку. Однако, если пропускная способность сети позволяет NFS нормально работать, то пользователи получают большие преимущества. Поскольку сервер и клиент NFS реализуются в ядре ОС, все обычные несетевые программы получают возможность работать с удаленными файлами, расположенными на подмонтированных NFS-дисках, точно также как с локальными файлами

Принципы функционирования Интернет.

Благодаря доменной системе имен, не только каждый компьютер, но и каждый файл в Интернете имеет свой точный, уникальный адрес - URL - Uniform Resource Locator, универсальный адрес ресурса - уникальное имя, однозначно определяющее ресурс в сети. Он строится следующим образом: