Теллекоммуникации

Азы информатики.
Выходим в интернет

Продолжение. Начало см. в № 17–22/2006

Как работает Интернет

Содержание этого блока публикации:

· Академия. Формат IP-пакета. Формат IP-адреса. Таблицы маршрутизации

· FAQ

· Полезные ссылки

· На уроке у Нины Дмитриевны (этот раздел будет опубликован в следующем номере)

Академия. Формат IP-пакета и Формат IP-адреса

В этом разделе приводится подробная информация о форматах IP-пакета и IP-адреса согласно документу RFC 791. RFC — это Request For Comments, запрос комментариев. Так по традиции называют все стандарты Интернета.

Формат IP-пакета

IP-пакет кроме данных, передаваемых по сети, содержит управляющую информацию (заголовок). Структура IP-пакета показана на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Структура IP-пакета

Ниже приводится описание отдельных полей IP-заголовка.

Версия

Это поле определяет текущую версию протоко-ла IP, по которому работает передающая станция.
В настоящее время используется версия 4 и идет работа над версией 6, в которой IP-адрес будет иметь длину не 32 бита, как в версии 4, а 128 бит, что позволит существенно расширить количество компьютеров, подключенных к Интернету.

Длина заголовка

Длину IP-заголовка необходимо указывать, так как она может быть разной в зависимости от длины поля Параметры IP. Длина заголовка задается количеством 32-битных блоков (слов).

Тип службы

Содержит указание на тип маршрута для данного пакета.

Такое указание позволяет правильно выбрать режим передачи данных по сети. Например, для службы IRC (чаты), работающей в режиме реального времени, необходима низкая задержка и высокая пропускная способность. Для службы FTP (передача файлов) подобные условия не требуются.

Поле Тип службы состоит из следующих частей:

· приоритет,

· задержка,

· пропускная способность,

· надежность.

Длина данных

Длина данных (длина пакета без заголовка). Под это поле отведено 16 бит, значит, данные в пакете могут иметь длину до 65 535 байт.

Идентификация

Показывает, какие пакеты относятся к одному и тому же сообщению. В конечном пункте эта информация необходима, чтобы пакеты разных сообщений не перепутались.

Флаги

Содержит специальную пометку для последнего пакета исходного сообщения.

Кроме того, это поле содержит бит отказа от дальнейшей фрагментации. Если маршрутизатор получает пакет, который он должен разделить на части для успешного перенаправления в сеть, не допускающую длинные пакеты, а бит отказа от фрагментации установлен, то пакет будет отброшен, а передающей станции будет послано сообщение об ошибке.

Смещение пакета

В Читальном зале говорилось, что каждый пакет нумеруется, чтобы сообщение в конечном пункте было правильно собрано.

На самом деле пакеты содержат не номера, а смещение в байтах относительно начала сообщения. Это смещение и записывается в этом поле.

Пусть исходное сообщение длиной в 3000 байт разбито на 3 пакета по 1000 байт в каждом. Тогда смещением первого пакета будет число 0, второго — 1001, третьего — 2001 (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Сообщение поделено на три пакета

В двоичном виде эти смещения будут записаны так:

Время жизни

Определяет интервал времени, в течение которого пакету позволено находиться в сети.

При прохождении через каждый маршрутизатор значение этого поля будет уменьшаться. Маршрутизатор, который уменьшит это поле до нуля, отбросит пакет и проинформирует об этом отправителя.

Протокол

В этом поле указывается, какой протокол должен обработать данный пакет при получении на станции назначения (обычно протокол TCP).

Контрольная сумма

Служит для определения пакетов, поврежденных при передаче. Пакет поврежден, если заново вычисленная контрольная сумма не совпадает со значением, записанным в этом поле. Поврежденные пакеты отбрасываются, а отправителю высылается соответствующее уведомление.

На каждой промежуточной станции меняется значение поля Время жизни и, возможно, поля Параметры IP, поэтому значение поля Контрольная сумма каждая станция для неповрежденных пакетов вычисляет заново.

IP-адрес отправителя

В этом поле записывается 32-битный IP-адрес отправителя сообщения. Адрес используется для посылки уведомлений в стартовый пункт посылки сообщения.

IP-адрес получателя

В этом поле записывается 32-битный IP-адрес получателя сообщения. Определяет станцию назначения пакета.

Параметры IP

В этом поле (переменной длины) маршрутизаторы делают отметки о прохождении пакета (трассировка маршрута). Кроме того, в этом поле записываются параметры безопасности передачи.

Заполнение

Поле не содержит никакой полезной информации. Оно вводится для выравнивания заголовка пакета на 32-битную границу (по соглашению длина заголовка пакета должна быть кратна 32 битам).

Формат IP-адреса

В 4-й версии протокола IP под адрес сетевого узла отводится 32 бита. Формат этого адреса можно представить в виде, представленном на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Структура IP-адреса

Между этими тремя полями нет фиксированной границы. Для точного определения узла всегда используется полный адрес. Принятая запись адреса в виде четырех десятичных чисел w.x.y.z тем более не отражает представленное на рис. 5.3 деление адреса.

IP-адреса делятся на 5 классов: A, B, C, D и E. Классы позволяют организовать различное количество сетей и узлов в них.

Классы A, B и C используются для представления адресов сетей и узлов в них.

Класс D — это специальный тип адреса, используемый для групповой рассылки.

Класс E зарезервирован для экспериментальных целей.

На рис. 5.4 показаны двоичные форматы адресов для каждого класса.

Рис. 5.4. Структура IP-адреса по классам

Класс A определяется по первому биту адреса: если этот бит равен 0, то это адрес класса A.

Класс A определяет 50% доступного адресного пространства. В самом деле, под код класса отводится один бит, а так как бит может принимать два значения, то без него адресов будет в два раза меньше.

Класс адреса B определяется по первым двум битам: их значения должны быть 1 и 0.

В силу того, что из собственно адресации выпадают первые два бита, класс B определяет 25% доступного адресного пространства (число адресов без 2 битов уменьшается в 4 раза).

Класс B — самый популярный класс адресов, и в настоящее время адреса этого класса практически исчерпаны.

Класс C определяется по первым трем битам адреса: 110. Он определяет 12,5% всех адресов в сети (число адресов без 3 бит уменьшается в 8 раз).

Класс A дает много узлов, но мало сетей. Класс С дает много сетей, но мало узлов. Сбалансированный вариант предоставляет класс B, но его ресурсы на сегодняшний день практически исчерпаны.

Среди всех IP-адресов имеются несколько зарезервированных под специальные нужды:

Адрес 127.0.0.1 предназначен для тестирования сетевого программного обеспечения в рамках одного компьютера.

Таблицы маршрутизации

Первый протокол, по которому работали сети, — протокол UUCP (Unix to Unix Copy Protocol — протокол копирования файлов от компьютера с операционной системой Unix на аналогичный компьютер).

Согласно этому протоколу в таблице маршрутизации расписывались связи между доменным адресом получателя сообщения и доменным адресом соседнего узла, в который нужно передать сообщение для продвижения его к пункту назначения.

Для уменьшения числа строк таблицы и ускорения поиска в ней в столбец “Адрес получателя” записывались не сами адреса, а шаблоны:

Строка | *.su | relcom.su | программирует передачу всех сообщений, у которых адрес получателя имеет суффикс (окончание) “.su” (домен Советского Союза), в узел relcom.su (провайдер первой отечественной сети Релком на базе Курчатовского института).

Несмотря на шаблоны, последовательный поиск в такой таблице занимает много времени, что приведет к ощутимому замедлению работы сети.

В самом деле, нужно последовательно просматривать строки таблицы, сравнивая искомый адрес с шаблонами в первом столбце. В таблице на 1000 строк придется сделать 1000 таких сравнений, если шаблон искомого адреса расположен в последней строке.

Пусть N — число строк в таблице, тогда среднее число просмотров определяется, как N/2 (500 для нашего случая).

Для быстрого поиска в упорядоченном массиве существует метод деления пополам (дихотомия).

Суть метода: сравниваем объект поиска x со средним элементом t упорядоченного набора данных. Если x = t, поиск закончен. Если x меньше t, продолжаем поиск в первой половине набора, если больше — во второй.

Пусть, например, требуется найти число x = 15 в упорядоченном наборе (1, 5, 7, 15, 25, 40, 50, 65, 70).

Шаг 1. Средний элемент набора t = 25. Так как x < t, продолжаем поиск в первой половине набора (1, 5, 7, 15).

Шаг 2. “Средний” элемент в этом наборе t = 7. Так как x > t, продолжаем поиск во второй половине набора, который состоит теперь только из одного числа: (15).

Шаг 3. На этом шаге поиск завершается.

Известно, что среднее число просмотров при дихотомии оценивается сверху числом log2N (логарифм по основанию 2 от числа элементов в массиве поиска). Если таблица маршрутизации имеет 1000 строк, то по методу деления пополам придется выполнить не более 10 просмотров (log21000 » 10). Получаем ускорение по сравнению с методом последовательного (линейного) поиска в 50 раз (на таблице из 1000 строк).

Использовать дихотомию в таблице маршрутизации с доменными адресами нельзя: столбец поиска содержит данные, упорядочить которые невозможно из-за шаблонов.

В протоколе TCP/IP в качестве сетевых адресов используются числа фиксированной длины (32 двоичных разряда) — IP-адреса.

Числовые строки таблицы маршрутизации легко содержать в упорядоченном виде, а это позволяет использовать для поиска быстрый метод дихотомии.

Но шаблоны в доменных таблицах маршрутизации UUCP существенно сокращали количество строк. Неужели в числовых таблицах TCP/IP пришлось отказаться от задания в одной строке семейства адресов?

Конечно, нет. В TCP/IP аналогом доменного принципа адресации является принцип разделения адресов по подсетям (смотрите материал предыдущего раздела “Формат IP-адреса”).

IP-подсеть — несколько подряд идущих IP-адресов, двоичная запись которых имеет одинаковый префикс (номер сети) и различные суффиксы (номера узлов в этой подсети).

Таблица маршрутизации TCP/IP выглядит следующим образом:

FAQ

Приводятся ответы на следующие вопросы:

· Используется ли в Интернете коммутация линий?

· Говорят, что Интернет — это сеть сетей. Что это значит?

· Каков рекорд скорости передачи по сетям?

· Сетевая карта — это сетевой адаптер?

· Используется ли при работе с Интернетом через модем сетевая карта?

· Как работает сеть по протоколу UUCP?

Используется ли в Интернете коммутация линий?

Интернет работает по протоколу TCP/IP, для которого характерна передача сообщений методом коммутации пакетов.

Для переноса чувствительного к задержкам трафика (речь, видео) в Интернете используют передачу данных по виртуальному каналу.

Виртуальный канал прокладывается между узлами сети от начальной до конечной станции, а затем по нему перемещаются пакеты, относящиеся к одному и тому же сообщению.

Хотя передача в таком режиме напоминает обмен сообщениями по методу коммутации каналов (по заранее проложенному маршруту), она сохраняет принцип коммутации пакетов.

Физически канал не резервируется (не монополизируется), передача остается пакетной, кроме пакетов, передаваемых по виртуальному каналу, по его звеньям проходят пакеты, относящиеся к другим сообщениям.

На рис. 5.5 показан фрагмент сети, в которой передаются данные по виртуальному каналу S1–S2–S3–S4. Эта передача не исключает передачу пакетов, например, по пути S5–S2–S3–S6.

Рис. 5.5. Виртуальный канал S1–S2–S3–S4

Таким образом, по каналу S2–S3 будут вперемежку проходить пакеты, относящиеся к двум разным сообщениям, что невозможно в сетях с коммутацией линий.

Говорят, что Интернет — это сеть сетей. Что это значит?

Интернет можно сравнить с мировой системой путей сообщения (автомобильные и железные дороги, авиационные и водные линии).

Каждый населенный пункт имеет дорожную сеть для собственных коммуникаций. Эти дорожные сети соединяются, образуя районную сеть. Районные сети объединяются в областные, областные — в государственные, государственные — в мировую транспортную сеть.

Аналогично объединяются и компьютерные сети. Отдельные учреждения или жители микрорайона создают локальные сети для своих внутренних коммуникаций. Эти сети соединяются, образуя региональные сети (городские, районные, областные). Соединение региональных сетей образует государственную сеть. Соединение государственных сетей — мировую глобальную сеть.

Конечно, к Интернету могут подсоединяться (и подсоединяются) отдельные компьютеры, но большая часть его пользователей распределена по региональным и корпоративным сетям.

Каков рекорд скорости передачи по сетям?

По кабельным сетям информация передается с самой большой скоростью. Скорости передачи в сетях с популярной технологией Ethernet представлены в таблице:

Скорости, которые приведены в таблице, привязаны к соответствующим стандартам. Однако принципиальные скоростные возможности передачи по кабелю существенно выше.

На сайте iXBT (http://www.ixbt.com) опубликованы две интересные статьи на эту тему.

Новость от 28.04.2006. Адрес новости: www.ixbt.com/news/all/index.shtml?06/01/74.

Компания NTT Japan (Nippon Telegraph and Telephone Corp.) объявила о том, что ею успешно завершено тестирование новой технологии, позволяющей передавать данные на скоростях до 10 Тбит/с. В ходе эксперимента были использованы оптоволоконные кабели, соединяющие два города.

Однако не стоит преждевременно рассчитывать на мгновенное ускорение работы и значительный прорыв в достижении пропускной способности. В коммерческую эксплуатацию проект, как отмечается, поступит только к 2011 году... К тому же проект изначально разрабатывался и ведется в Японии, т.е. пройдет еще какое-то время, прежде чем технология будет лицензирована в Европе и запущена в эксплуатацию.

В ходе эксперимента передачи данных был использован 16-портовый роутер, на каждый порт приходилось 64 уплотненные линии связи с разными длинами волн. Мультиплексирование с разделением длины волны и уплотнением позволило передать по каждой линии поток данных в 640 Гбит, что в сумме и позволило добиться внушительных 10 Тбит/с.

Новость от 29.04.2006. Адрес новости: www.ixbt.com/news/all/index.shtml?06/01/84.

Как известно, проект Internet2 рассчитан на использование самых новых и совершенных на данный момент технологий передачи данных, которые в огромных (по сравнению с Internet1) объемах и на больших скоростях передаются между различными университетами и организациями мира, нуждающимися в высокоскоростных СПД.

Исследователи, работающие с Internet2, сообщили об установлении нового рекорда — скорости передачи данных, приближающейся к теоретическому максимуму (10 Гбит/с) — 8,8 Гбит/с. Рекорд был установлен сотрудниками Университета Токио, Университета в Амстердаме и другими их коллегами. В ходе эксперимента данные передавались из Токио через Сиэтл, Амстердам и Чикаго обратно в точку отправления. Скорость предыдущего рекорда, установленного в ноябре 2005 г., составляла 7,99 Гбит/с. И, несмотря на ощутимые успехи, операторы Internet2 сообщают о своих планах дальнейшего увеличения скорости передачи данных до 80 раз (!). Здесь будет уместно упомянуть о достигнутых успехах японских исследователей из NTT. На данный момент Internet2 использует оптоволокно Qwest Communications International. В новой Сети операторы будут использовать 10 “цветов”, т.е. 10 длин волн для передачи сигнала. Предполагается, что такой метод уплотнения потока (весьма схожий с японским решением) позволит достичь скоростей порядка 100 Гбит/с. Конечная же цель — применение 80 цветов. Это и даст 80-кратное увеличение скорости. Как сообщил Дуглас Ван Ховелинг (Douglas Van Houweling), исполнительный директор проекта, сеть Internet2 с обновленными (до какой степени, не уточняется...) скоростными параметрами должна заработать к осени 2007 года. Если обычному пользователю сети Internet не совсем понятно, что даст ускорение передачи данных в Internet2, то ученые и исследователи по всем миру давно жаждут увеличенной пропускной способности. Скорейший ее рост вызван конечно же не желанием поставить очередной рекорд, а необходимостью. Так, например, астрономы по всему миру испытывают необходимость передачи огромных объемов данных, связав воедино мощнейшие радиотелескопы (вполне возможно, и для задач поиска гравитационных волн).

Для сравнения: скорость чтения данных с жесткого диска компьютера не превышает 800 Мбит/с. Передача по каналу Gigabit Ethernet идет быстрее.

Передача непрерывного потока звуковой информации без компрессии требует пропускной способности канала около 1,5 Мбит/с, а передача полноэкранного видео — около 4,5 Мбит/с.

Скорость получения данных из Интернета определяется скоростью самого медленного канала из всех тех, по которым информация добирается со станции отправления. Если компьютер пользователя связан с провайдером через обычный аналоговый модем, то скорость приема данных из Интернета не может превышать 56 Кбит/c.

Сетевая карта — это сетевой адаптер?

Да, конечно.

Адаптер (от лат. adapto — приспособляю) в широком смысле — устройство, реализующее интерфейс (взаимодействие) между двумя разными средами. То есть адаптер — это соединительное устройство, переходник.

Адаптер в узком смысле — устройство связи компьютера с периферийными устройствами (например, видеокарта, или сетевая карта, или модем).

Сетевой адаптер совместно с программным обеспечением (драйвер карты и специальный сетевой модуль операционной системы) отвечают за прием данных из сети в компьютер пользователя и посылку данных в сеть.

Используется ли при работе с Интернетом через модем сетевая карта?

Модем — это сетевой адаптер, специализированный для передачи и приема информации по телефонным каналам связи.

Модем может быть выполнен в виде компьютерной карты, которая вставляется в слот материнской платы компьютера или в виде отдельного устройства, которое подключается к компьютеру (например, через порт COM или USB).

Для работы модема дополнительного сетевого адаптера не требуется, он сам является полноценным сетевым адаптером, специализированным для работы по телефонной линии.

Как работает сеть по протоколу UUCP?

UUCP (Unix to Unix Copy Protocol) — протокол, по которому работали компьютерные сети на этапе своего зарождения (70–80-е годы). Затем на смену пришел протокол TCP/IP, и сейчас протокол UUCP практически не используется.

По протоколу UUCP компьютеры, оснащенные операционными системами UNIX, могли обмениваться информацией (почта, новости, файлы) через телефонные линии с помощью модема.

Для протокола UUCP характерна передача данных по принципу коммутация данных и сеансная связь между узлами сети.

Коммутация данных предполагала, что в каждом сетевом узле формировалась таблица маршрутизации, в которой расписывалась связь между адресом получателя сообщения и адресом соседнего узла, в который нужно передать сообщение для продвижения его к пункту назначения. При этом в таблице маршрутизации в столбце “Адрес получателя” записывались не сами адреса, а шаблоны:

Строка | *.su | relcom.su | программирует передачу всех сообщений, у которых адрес получателя имеет суффикс (окончание) “.su” (домен Советского Союза), в узел relcom.su (провайдер первой отечественной сети Релком на базе Курчатовского института).

Запись шаблонов вместо полных адресов позволяла существенно сократить таблицу маршрутизации, а значит, упростить ее заполнение и убыстрить поиск в ней.

Коммутация данных отличается от коммутации пакетов тем, что сообщение передается целиком без деления на части-пакеты.

Сеансная связь предполагала, что для каждого узла составлялось расписание сеансов работы с соседними узлами сети.

Когда подходило время связи узла A с узлом B, модем A поднимал трубку и дозванивался до модема B. Модемы “представлялись” и “договаривались” о технических параметрах работы (важный параметр — скорость передачи данных). Затем модем A (автор звонка) начинал передавать данные, накопленные для узла B.

Когда узел A завершал передачу, ее начинал B, если у него имелись данные для A.

После обмена данными узлы разрывали связь до следующего сеанса.

Сеансы между узлами устанавливались примерно через каждый час, сообщения добирались до пункта назначения за сутки (иногда за двое суток, если промежуточных узлов было много).

Проблемы протокола UUCP: сеансная связь приводит к медленной работе сети, а коммутация данных — к монополизации канала связи (большой файл надолго закрывает канал связи для других узлов).

Еще одна проблема: таблица UUCP-маршрутизации содержала символические доменные адреса (к тому же разнородной длины). Поиск в такой таблице занимал много времени.

Проблемы протокола UUCP были решены протоколом TCP/IP.

В таблицах маршрутизации стали использовать упорядоченные по возрастанию числовые IP-адреса (адреса сетей, смотрите раздел Академии “Таблицы маршрутизации”).

Поиск в числовой упорядоченной таблице выполняется быстрым методом деления пополам.

Суть метода: сравниваем объект поиска x со средним элементом t упорядоченного набора данных. Если x = t, поиск закончен. Если x меньше t, продолжаем поиск в первой половине набора, если больше — во второй.

Пусть, например, требуется найти число x = 15 в упорядоченном наборе (1, 5, 7, 15, 25, 40, 50, 65, 70).

Шаг 1. Средний элемент набора t = 25. Так как x < t, продолжаем поиск в первой половине набора (1, 5, 7, 15).

Шаг 2. “Средний” элемент в этом наборе t = 7. Так как x > t, продолжаем поиск во второй половине набора, который состоит теперь только из одного числа: (15).

Шаг 3. На этом шаге поиск завершается.

По протоколу TCP/IP сообщения передаются разделенными на пакеты: это исключает монополизацию каналов связи одним сообщением.

Наконец, для магистральной часть Интернета (на уровне соединения сетей) стали использовать выделенные кабельные и спутниковые каналы, устраняя тем самым сеансный режим передачи (магистральные узлы всегда на связи, прием/передача выполняется в любой момент времени).

Полезные ссылки

1. Сайт “Вебпланета”

www.webplanet.ru

Ежедневный электронный журнал. Разделы:

· Интернет. Электронная почта, браузеры, поисковые машины, спам, блоги...

· Е-коммерция. Интернет-магазины, онлайновые аукционы, платежные системы.

· Безопасность. Хакеры, вирусы, фишинг, дырки, черви, зомби и прочая нечисть.

· Телекоммуникации. Разборки провайдеров. Дележ трафика. И немного о маршрутизаторах и оптоволокне.

· Реклама и пиар. О том, как нужно рекламировать товар в Интернете.

· Технологии. Все, что не поместилось в вышеперечисленные рубрики, но о чем все-таки очень хочется рассказать.

· Интервью. Прямая речь именитых особ.

· Блицинтервью. Прямая речь именитых особ на конкретную тему. Комментарии к статьям и новостям.

· Мнения. Поток сознания наших читателей.

· Читальный зал. Аналитические отчеты, долгосрочные прогнозы, описание тенденций. С графиками, таблицами, статистикой.

2. iXBT

ixb.com

Новости, статьи, руководства, конференции, интернет-магазин, гид по ценам.