Интернет: модель и основные
принципы построения
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
Организация компьютерной сети с точки зрения
приложения
СПД
Введение в компьютерные сети чл.корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
2
Примеры сетевых
приложений
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
Кафедра АСВК ф-т ВМК МГУ
Сетевые приложения: абстракция
Internet
• Чтение/запись данных через сеть



Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
Web browser, Web server
Skype clients, Skype server, Rendezvoused, Rely Servers
Bit Torrent clients, Trecker
• Основная модель: TCP поток байтов
• IP – доставляет байты по возможности
06.09.2023
4
FTP = File Transfer Protocol
Internet
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
5
Модель «Поток байтов»
• Наиболее распространенная сегодня модель взаимодействия
приложений (есть и другие: дейтаграммы, потоки реального времени и т.п.)
• Это абстракция Интернета – «труба» между двумя процессами
(поверх ненадежного, ‘best-effort’ Internet)
• TCP протокол
• Примеры разных приложений
o World Wide Web
o Skype
o Bit Torrent
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
6
Пример: передача файла
•
Формат данных
Разбиение на пакеты
A • Надёжность и
•
обнаружение ошибок
•
Управление потоком и
перегрузки
•
Маршрутизация пакета
•
Передача пакета
•
Кадры, сигналы и
модуляция
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
B
Как это все реализовать?
06.09.2023
7
Разбиение на уровни
• Разделить процесс передачи на малое число
небольших, хорошо определенных компонентов
•
Очередной компонент строиться над
предыдущим – это иерархия уровней
• Каждый уровень имеет:
– строго определенный интерфейс с нижележащим и вышележащим
уровнями
– набор сервисов, которые может использовать вышележащий уровень
• Каждый уровень независим от других
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
8
4-х уровневая модель Интернета
Application
Transport
Network
Link
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
9
Взаимодействие одноименных уровней
A
Header
frame
Header
package
Header
segment
B
тело
Application
Application
Transport
Transport
Network
Network
Link
Network
Link
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
Network
Link
Link
06.09.2023
10
Инкапсуляция
Header
frame
Header
package
Header
segment
B
тело
Application
Transport
Network
Network
Link
Link
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
11
Взаимодействие одноименных уровней
A
B
Application
Application
Transport
Transport
Network
Network
Link
Network
Link
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
Network
Link
Link
06.09.2023
12
4-х уровневая модель Интернета
Application
Transport
Network
Link
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
13
4-х уровневая модель Интернета
Application
Application
Transport
Transport
Network
Network
Link
Link
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
14
Где «работают» разные уровни ?
Application
User space
Socket API
Transport
Operating System
Network
Link
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
15
4-х уровневая модель
Source End-Host
Destination End-Host
Application
Application
Transport
Router
Router
Transport
Network
Network
Network
Network
Link
Link
Link
Link
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
16
4-х уровневая модель Интернета: summary
Application
• Двунаправленный надежный поток байтов между
приложениями, использующий специфику приложений
Transport
• Гарантирует порядок доставки. Преодолевает перегрузки
Network
• Доставляет дейтаграммы по возможности.
• Не гарантирует доставку.
• Использует только протокол IP
• Доставляет данные по линии между end-host и router или
между routers.
Link
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
17
IP – это «талия» Интернета
Application
Transport
Network
Link
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
http
smtp
TCP
ssh
ftp
UDP
RTP
…
IP
Ethernet WiFi
DSL
3G
…
06.09.2023
18
Почему Network Layer относят к уровню 3?
Application
Transport
Network
Link
4-х уровневая модель
Интернета
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
http
ASCII
Application
Presentation
Session
TCP
IP
Transport
Network
Link
Ethernet
Physical
Эталонная модель OSI ISO
06.09.2023
19
Инкапсуляция
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Link
Physical
Как данные предоставляют на каждом
уровне
Данные уровня N всегда то, что должен
передать уровень N-1
Пример HTTP (web):
˃ данные НТТР
приложения в
˃ ТСР транспортный
сегмент в
˃ IP пакет в
˃ кадр Ethernet канала
Application data
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
06.09.2023
2020
Инкапсуляция: гибкость
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
•
Инкапсуляция позволяет использовать
уровни рекурсивно
•
Пример: Virtual Private Network (VPN):
– данные НТТР приложения в
– ТСР транспортный сегмент в
– IP пакет в
– безопасное представление TLS
сообщения
– ТСР транспортный сегмент в
– IP пакет в
– кадр Ethernet канала
06.09.2023
06.09.2023
2121
Инкапсуляция
Application
•
Упрощает представление данных при
переходе между уровнями
•
Инкапсуляция данных на каждом
уровне:
Presentation
Session
Transport
Network
Link
Physical
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
 Помогает разделению
сервисов на каждом уровне
 Помогает строго соблюдать
границы между уровнями
 Упрощает реализацию
каждого уровня
06.09.2023
06.09.2023
2222
Принцип коммутации пакетов
(Смелянский Р.Л. Компьютерные сети т.1 стр. 30 – 36, 188-193)
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
Кафедра АСВК ф-т ВМК МГУ
Коммутация каналов
Абонентская
линия
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
Абонентская
линия
06.09.2023
24
Коммутация каналов
•
•
•
•
•
•
•
У каждого соединения точкаточка своя гарантированная,
Коммутация каналов: проблемы
пропускная способность,
доступная тому кто передает
по
Неэффективность:
взаимодействие
между
ней
компьютерами
в сети очень не равномерно
(набор
текста
по состоит
ssh соединению
Каждый
звонок
из трех и просмотр
web
фаз:страницы). Если каждая коммуникация
будет
использовать соединения
выделенное соединение,
o Установление
это будет
крайне не эффект ивно.
точка-точка
Большой разброс скоростей взаимодействия
o Передача
( набираю текст или просмотрю видео с web)
o Разрыв состоянием
соединения взаимодействия: все
Управление
Во времена Александра
Белла в соединении
коммутаторы,
задействованные
соединение поддерживать
представляло собойсогласованно
должны
провод взаимодействия
состояние
Сегодня, соединение – это
виртуальный (псевдо)
индивидуальный провод
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
Абонентская
линия
Абонентская
линия
Коммутаторы
06.09.2023
25
Коммутация каналов
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
26
Схема работы GSM-сети
MSISDN-Mobile Subscriber ISDN, IMSI, IMEI и многое дру
PLMN
(Provider Local Mobile Network)
MSC
HLR
VLR
Наземная сеть
BSC
MSC
MSC VLR
200 дуплексных
каналов по 200 КГц в
каждом направлении
(124 – рабочих
76 – резерв + служебные)
Доп. главы компьютерных
сетей чл.-корр. РАН
Смелянский Р.Л.
TMSI
MS (IMEI)
SIM карта (PIN)
(IMSI)
BSC
BSC
06.09.2023
27
Коммутация каналов
• У каждого соединения точка-точка своя гарантированная,
пропускная способность, доступная тому кто передает по ней
• Каждый звонок состоит из трех фаз:
o Установление соединения точка-точка
o Передача
o Разрыв соединения
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
28
Что такое коммутация пакетов?
• Пакет – единица данных, несущая достаточно информации, чтобы
быть доставленной к месту назначения
• Коммутация пакетов: для каждого поступающего пакета независимо
выбирается канал для отправки. Если канал свободен, то пакет
отправляют, если нет – буферизуют пока канал не освободится
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
29
Коммутация пакетов
Header
В
А
S2
S1
S2
S3
S4
S3
S3
C
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
D
06.09.2023
30
Коммутация пакетов
Dat DX
Dat
aa
s
Dat
D
tDat DD
Dat
aa
ss
s
Src a
tt
t
X
D
Пакетный коммутатор
Dst
B
A
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
C
06.09.2023
31
Коммутация пакетов
Коммутаторы
пакетов
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
32
Коммутация пакетов: буферизация
Data
H
Data
H
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
Буфер хранит пакеты:
• Два и более пакеты пришли одновременно
• В период перегрузки
06.09.2023
33
Коммутация пакетов
A
отправител
ь
B
R2
R4
R1
получател
ь
R3
•
•
•
•
•
•
Пакеты маршрутизируют индивидуально согласно адресам локальной таблицы маршрутизации
Одна и та же линия может быть использована пакетами разных потоков в разное время
Все пакеты используют полную пропускную способность линии
Маршрутизаторы не поддерживают состояния каждого взаимодействия
Статистическое мультиплексирование/уплотнение канала
Ели какой-то канал или маршрутизатор будет разрушен/выйдет из строя, то утерянную дейтаграмму
всегда можно послать еще раз другим маршрутом
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
34
Итоги
• коммутация пакетов обеспечивает более эффективное использование ресурсов,
чем коммутация каналов
• сеть с коммутацией пакетов более живучая и устойчивая к повреждениям
• пакет самодостаточен, каждый пакет маршрутизируют индивидуально на
основе таблицы маршрутизатора, которую формирует сам коммутатор
• каждый коммутатор работает автономно от других
• состояние соединений, проходящих через коммутатор, не хранится
• буфер коммутатора разделяют проходящие через него потоки пакетов
динамически
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
36
Принцип: имена и адреса
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН
Смелянский Р.Л.
Кафедра АСВК ф-т ВМК МГУ
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
37
Имена vs Адреса
• Имя указывает что есть объект именования
 Кабинет Смелянского
 pluto.lvk.cs.msu.su
 list_srt
• Адрес указывает где расположен объект
 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, 2-ой учебный корпус,
ком.764
 IP: 171.66.3.9
 0x0040005080
• Телефонный номер – это адрес или имя?
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
38
Имена
• Структура имени:
o одноуровневое:
• имя бирж (РТС, ММВБ, NSDQ), названия аэропортов (SVO, DMV)
• cервисы – http, ftp, VPN
• Apple ID, Skype ID
o набор (БД): пол: муж.; ФИО: Смелянский Р.Л.; должность: профессор;
o иерархия:
• lvk.cs.msu.su
• Смелянский Руслан Леонидович, профессор ф-та ВМК, Московский Гос.
Университет
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
39
Адреса
• Структура адреса влияет на то, как мы можем указывать на
объект
o одно ранговый адрес: номер порта, адрес основной памяти
o набор: координаты (x,y,z); (55°45′с.ш.:37°36′в.д. )
o иерархические адреса
• адрес сегмента данных на диске (цилиндр, дорожка, сегмент)
• страна, город, улица, дом, квартира
• косвенный адрес
• <код страны> <код региона> < номер абонента в регионе>
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
40
адреса и имена в Internet
• Internet адреса: 32 IPv4; 128 IPv6
95.182.74.02
• Internet имена: система доменных имен (DNS): lvk.cs.msu.su
• Имена и адреса на разных уровнях разные
o имя сервиса (http), имя порта (80)
o SIP (Session Initiation Protocol — протокол установления сеанса) — один
из протоколов передачи голоса в сети.
o SIP идентификатор (pal@a.com), е-адрес (pal@a.com)
• Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN)
o Internet Assigned Number Authority (IANA)
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
43
Итог
• То как Вы именуете и адресуете что-то, имеет огромное
влияние на организацию сети, ее протоколов, сложность
алгоритмов работы с информационными объектами
• Структура имен и адресов также имеет большое влияние на
простоту и удобство интеграции сетей и протоколов
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
44
Принцип Е2Е
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН, проф. Смелянский Р.Л.
Кафедра АСВК ф-т ВМК МГУ
Сеть с точки зрения приложения
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
46
Заключение
• Принцип уровневости
• Принцип инкапсуляции данных
• Принцип коммутации пакетов
• Принцип доменного именования и
адресации
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
48
Литература:
• Смелянский Р.Л. Компьютерные сети т.1, гл.1-2, т.2, гл.1
• Куроуз Дж., Росс К. Компьютерные сети Многоуровневая
архитектура Интернет, Питер, 2004, гл.1-2
Введение в компьютерные сети
чл.-корр. РАН Смелянский Р.Л.
06.09.2023
49