Компьютерные сети (стр. 4 )

1.5 Стек протоколов TCP/IP

В локальных сетях используется стек протоколов TCP/IP в качестве связующего элемента между компьютерами. Стек TCP/IP является набором сетевых протоколов передачи данных, используемых в сетях, в том числе в сети Интернет.  Протоколы работают друг с другом в стеке (англ. stack, стопка) — это означает, что протокол, располагающийся на уровне выше, работает «поверх» нижнего, используя механизмы инкапсуляции.

Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня:

  прикладной уровень (application layer),   транспортный уровень (transport layer),   сетевой уровень (Internet layer),   канальный уровень (link layer).

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI. На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.

Прикладной уровень является высшим уровнем. На прикладном уровне (Application layer) работает большинство сетевых приложений. Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие.

Эти протоколы работают поверх TCP или UDP и привязаны к определённому порту:

  HTTP на TCP-порт 80 или 8080,   FTP на TCP-порт 20 (для передачи данных) и 21 (для управления),   SSH на TCP-порт 22,   запросы DNS на порт UDP (реже TCP) 53,   обновление маршрутов по протоколу RIP на UDP-порт 520.

Эти порты определены Агентством по выделению имен и уникальных параметров протоколов (IANA).

Протоколы транспортного уровня (Transport layer) могут решать проблему негарантированной доставки сообщений, а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные.

TCP (IP идентификатор 6) — «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, в случае потери перезапрашивает данные и устраняет дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.

UDP (IP идентификатор 17) протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадёжной» передачи, так как нет возможности удостовериться в доставке сообщения адресату, также возможного перемешивания пакетов.

UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео и компьютерные игры, где допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.

Сетевой уровень (Internet layer) изначально разработан для передачи данных из одной (под)сети в другую. Примерами такого протокола является X.25 и IPC в сети ARPANET.

С развитием концепции глобальной сети в уровень были внесены дополнительные возможности по передаче из любой сети в любую сеть, а также возможность запрашивать данные от удалённой стороны, например, в протоколе ICMP (используется для передачи диагностической информации IP-соединения) и IGMP (используется для управления multicast-потоками).

ICMP и IGMP расположены над IP и должны попасть на следующий — транспортный — уровень, но функционально являются протоколами сетевого уровня, и поэтому их невозможно вписать в модель OSI.

Пакеты сетевого протокола IP могут содержать код, указывающий, какой именно протокол следующего уровня нужно использовать, чтобы извлечь данные из пакета. Это число — уникальный IP-номер протокола. ICMP и IGMP имеют номера, соответственно, 1 и 2.

Канальный уровень (Link layer) описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (то есть специальные последовательности бит, определяющих начало и конец пакета данных. Примеры протоколов канального уровня — Ethernet, IEEE 802.11 Wireless Ethernet, SLIP, Token Ring, ATM и MPLS.

Канальный уровень описывает среду передачи данных, физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (рисунок 12) (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние).

Рисунок 12 – Канальный уровень

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.1 Понятия модели и моделирования

Моделирование можно рассматривать как замещение исследуемого объекта (оригинала) его условным образом, описанием или другим объектом, именуемым моделью и обеспечивающим близкое к оригиналу поведение в рамках некоторых допущений и приемлемых погрешностей. Моделирование обычно выполняется с целью познания свойств оригинала путем исследования его модели, а не самого объекта. Моделирование оправдано в том случае, когда оно проще создания самого оригинала. Модель (фр. modиle, от лат. modulus — «мера, аналог, образец») — это система, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе; представление некоторого реального процесса, устройства или концепции

При этом требования к модели определяются решаемой задачей и имеющимися средствами. Существует ряд общих требований к моделям:

1) адекватность – достаточно точное отображение свойств объекта;

2) полнота – предоставление получателю всей необходимой информации об объекте;

3) гибкость – возможность воспроизведения различных ситуаций во всем диапазоне изменения условий и параметров;

4) трудоемкость разработки должна быть приемлемой для имеющегося времени и программных средств.

Виды задач познания можно разделить на экспертные (модель которого является познавательной) и конструктивные (модель – прогматичная), исходя из задач познаний выделяют два вида моделирования: физическое и математическое.

При физическом(натурном) моделировании исследуемая модель заменяется соответствующей ей материальной системой, которая воспроизводит свойства изучаемой системы с сохранением их физической природы. Метод состоит в создании лабораторной физической модели явления в уменьшенных масштабах и проведении экспериментов на этой модели.

Математическим моделированием называется совокупность соотношений (формул, уравнений, неравенств), определяющих процесс изменений состояний системы в зависимости от её параметров, входных сигналов, начальных условий и времени. Математическое моделирование может быть аналитическим, имитационным и компьютерным.

Аналитическое моделирование позволяет получить более точное решение, формируя математические законы, связывающие объекты системы, записанные в виде функциональных соотношений.

Имитационное моделирование – метод, при котором система заменяется моделью, описывающей ее с максимальной точностью.

Компьютерное моделирование – программа, работающая на отдельном компьютере или множестве компьютеров. Преимуществом является универсальность, удобство, быстрота и низкая стоимость исследований.

Моделирование – это процесс построения модели объекта и исследования его свойств путем исследования модели. Таким образом, моделирование предполагает 2 основных этапа:

разработка модели; исследование модели и получение выводов.

При этом на каждом из этапов решаются разные задачи и используются отличающиеся по сути методы и средства. На практике применяют различные методы моделирования. В зависимости от способа реализации, все модели можно разделить на два больших класса: физические и математические. Математическое моделирование принято рассматривать как средство исследования процессов или явлений с помощью их математических моделей. Под физическим моделированием понимается исследование объектов и явлений на физических моделях, когда изучаемый процесс воспроизводят с сохранением его физической природы или используют другое физическое явление, аналогичное изучаемому. При этом физические модели предполагают, как правило, реальное воплощение тех физических свойств оригинала, которые являются существенными в конкретной ситуации. Например, при проектировании нового самолета создается его макет, обладающий теми же аэродинамическими свойствами; при планировании застройки архитекторы изготавливают макет, отражающий пространственное расположение ее элементов. В связи с этим физическое моделирование называют также макетированием.

Очевидно, действительная польза от моделирования может быть получена только при соблюдении двух условий:

1) модель обеспечивает корректное (адекватное) отображение свойств оригинала, существенных с точки зрения исследуемой операции;

2) модель позволяет устранить перечисленные выше проблемы, присущие проведению исследований на реальных объектах.

2.2. Основные понятия математического моделирования

Решение практических задач математическими методами последовательно осуществляется путем формулировки задачи (разработки математической модели), выбора метода исследования полученной математической модели, анализа полученного математического результата. Математическая формулировка задачи обычно представляется в виде геометрических образов, функций, систем уравнений и т. п. Описание объекта (явления) может быть представлено с помощью непрерывной или дискретной, детерминированной или стохастической и другими математическими формами. Теория математического моделирования обеспечивает выявление закономерностей протекания различных явлений окружающего мира или работы систем и устройств путем их математического описания и моделирования без проведения натурных испытаний. При этом используются положения и законы математики, описывающие моделируемые явления, системы или устройства на некотором уровне их идеализации. Математическая модель (ММ) представляет собой формализованное описание системы на некотором абстрактном языке, например, в виде совокупности математических соотношений или схемы алгоритма, т. е. такое математическое описание, которое обеспечивает имитацию работы систем или устройств на уровне, достаточно близком к их реальному поведению, получаемому при натурных испытаниях систем или устройств. Любая ММ описывает реальный объект, явление или процесс с некоторой степенью приближения к действительности. Для серьезных сфер моделирования нередко нужны суперкомпьютеры и годы работы крупных коллективов ученых по подготовке данных для моделирования и его отладки. Тем не менее, и в этом случае математическое моделирование сложных систем и устройств не только экономит средства на проведение исследований и испытаний, но и может устранить экологические катастрофы – например, позволяет отказаться от испытаний ядерного и термоядерного оружия в пользу его математического моделирования или испытаний аэрокосмических систем перед их реальными полетами. При использовании обобщенных моделей становится возможным моделирование и достаточно сложных систем, например, телекоммуникационных систем и сетей, радиолокационных или радионавигационных комплексов. Целью математического моделирования является анализ реальных процессов (в природе или технике) математическими методами. В свою очередь, это требует формализации ММ процесса, подлежащего исследованию. Модель может представлять собой математическое выражение, содержащее переменные, поведение которых аналогично поведению реальной системы.