ПРЕПОДАВАНИЕ РАЗДЕЛА КОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ДИСЦИПЛИНЕ ИКТ СТУДЕНТАМ НЕПРОФИЛЬНЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается примерное содержание и методика преподавания раздела Коммуникационные технологии в дисциплине Информационно-коммуникационные технологии для специальностей, не связанных с подготовкой специалистов в области информационных технологий. Дается содержание и последовательность изложения материала студентам, включая общую модель организации сетевого стека, реализацию его и связь с операционной системой, примерный план последовательности изучения дисциплины, пример разъяснения работы сетевого стека при передаче и приеме данных, примерный список сетевых протоколов для ознакомления, особенности адресаций в сетях. Указываются акценты при изучении материала и степень детализации при изучении различных понятий.

ABSTRACT

Exemplary contents and teaching methodology of the section Communication Technologies in the subjects of Information and Communication Technologies for specialties not related to the training of specialists in Information technologies are considered in the article. The contents and the sequence of introducing the materials are given in the article including common model of network stack, stack implementation and linking to an operating system, exemplary sequence plan for study of the subject, the example of explanation of network stack work for receiving and transmitting data, exemplary list of network protocols for reviewing, peculiarities of addressing in networks. The emphasizes in the study of the subject and level of detail when studying some terms are given.           

Ключевые слова: сеть, сетевой протокол, стек протоколов, модель OSI ISO, технологии локальных сетей, стек TCP/IP, сетевая служба, сервер, клиент, адресация в сетях.

Keywords: network, network protocol, protocol stack, OSI ISO model, LAN technologies, TCP/IP stack, network service, server, client, network addressing.

Непрофильными специальностями здесь считаются специальности, не относящиеся к прикладной математике, компьютерным наукам, информатике и т.п.

В связи с развитием технологий связи дисциплина, которая когда-то называлась «Информатика», а затем – «Информационный технологии», стала называться «Информационно-коммуникационные технологии». Данное изменение отражает изменения, произошедшие в составе программы дисциплины – изучение технологий взаимодействия систем и программ стало необходимой составной честью. В статье предлагаются содержание и объем сведений о функционировании сетей для преподавания студентам неинформационных специализаций.

До изучения данного раздела необходимо, чтобы студенты были знакомы с общей архитектурой аппаратной части и общей схемой организации ее работы, а также с программной организацией управления и работы системы: классификация программ (что такое «системная программа»), роль операционной системы, порядок запуска программ – минимально понятие о процессах и потоках. Эти сведения студенты получают ранее в этом же курсе. В этой же (предварительной) части подготовки полезной будет история развития компьютерных систем, включающая эволюцию сетей с точки зрения способов передачи данных и использования связи программами.

Собственно, курс начинать следует, как обычно, с определений. Сеть определяется, как «совокупность компьютеров, средств связи и программного обеспечения, предназначенные для совместного использования ресурсов компьютеров». Такое общее определение позволяет ввести основные структурные элементы: средства связи – это сетевые технологии, представляющие собой законченные решения, позволяющие передавать данные от различных компьютерных устройств, а программное обеспечение – это системное программное обеспечение в составе операционной системы и взаимодействующее с прикладными программами и средствами связи. Здесь же вводится понятие узла сети – как элемента сети, имеющего самостоятельный адрес. Определения здесь и далее ориентированы на конкретную аудиторию. Про узлы следует добавить пояснение, что в каждом из них и реализованы средства связи и системное программное обеспечение, а сами узлы – это не только компьютеры, но и специализированные устройства, передающие данные. Далее описывается собственно взаимодействие – а именно: взаимодействуют программа с программой (в контексте исполнения программ в системе – процесс с процессом), находящиеся на различных узлах сети. При этом, одна программа будет инициатором взаимодействия, а вторая будет работать постоянно, ожидая запроса на взаимодействие. И, таким образом, вводятся понятия клиента и сервера и основного принципа сетевого взаимодействия. Расшифровывая определение сети, описываются совместно используемые ресурсы: оборудование, файлы, программы – и приводятся примеры. На основании уже введенных понятий вводится топология сети – как способ соединения узлов в сети – и виды топологий: общая шина, кольцо, звезда, иерархическая звезда, полносвязная, сетевая [6, с. 59]. Здесь же можно ввести деление на LAN, MAN и WAN [6, с. 114]. При этом можно дать достаточно простое объяснение делению: на основе средств связи. Кроме того, можно упомянуть о конвергенции данных понятий (например, технологии локальных сетей используются для доставки в населенных пунктах, наряду с модемами).

По мнению автора, в таком учебном курсе имеет смысл вводить описание модели OSI ISO. При этом необходимо дать определение коммуникационного протокола (особый акцент на то, что это документ, а не реализующий его модуль) и стека коммуникационных протоколов. В таком изложении модель будет более понятна. Обязательно необходимо акцентировать в описании смысл модели: она охватывает организацию решения всех задач, которые могут возникнуть при передаче данных, но не является реализацией. После этого можно вводить схему уровней модели и кратко описывать функционал каждого уровня.

Физический и канальный уровни: в терминах определения – это «средства связи» –  реализуются в виде аппаратных устройств («можно потрогать руками») и тесно связаны друг с другом. Канальный уровень в этой паре будет определяющим, физический выбирается в соответствии с канальным. Устройства канального уровня могут взаимодействовать только с устройствами «своей» технологии этого уровня, для соединения с линией другой технологии этого уровня используются устройства, поддерживающие более одной технологии и позволяющие передавать данные от одной к другой – шлюзы. Либо здесь, либо отдельно далее следует привести примеры технологий канального уровня (из актуальных) и кратко описать функционирование: модемов LTE, адаптеров и коммутаторов IEEE 802.11 и IEEE 802.3. Тут же указывается градация LAN и MAN и указывается основное отличие (противоречие достижения больших скорости и расстояния). Можно упомянуть наличие технологий, ориентированных на передачу данных от многих потребителей одновременно и на большие расстояния – семейства Т/Е/J. При описаниях различных технологий приводятся примеры физического уровня (без характеристик). Здесь же можно уже вводить понятие физической адресации с указанием пределов валидности такого адреса [4, с. 8].

Остальные уровни описываются так же кратко, но с пояснениями причин выделения в отдельный уровень. Сетевой уровень – позволяет создать единую логическую сеть, соединяющую технологически разнородные сегменты. Указывается, что основой соединения в единую сеть является система адресов, которые не связаны с канальным уровнем.

Транспортный уровень – обеспечивает саму процедуру доставки данных: управление передачей данных, контроль целостности. Подробнее можно описывать на основе ТСР далее.

Сеансовый уровень – был выделен в отдельный уровень в начале развития сетевых стеков. Необходим для открытия и закрытия соединения (сеанса) и, возможно, для промежуточных действий в сеансе.

Представительный уровень – лучше «уровень представления данных» - предназначен для перекодирования передаваемых данных. Наиболее понятный пример – шифрование (можно кратко ввести «преднамеренное обратимое искажение данных с целью недоступности третьей стороне»).

Прикладной уровень – уровень соединения приложений с сетевым стеком или уровень сервисов. Содержит протоколы, позволяющие передавать данные различными приложениями при решении различных задач. Особо следует подчеркнуть, что собственно приложения находятся над прикладным уровнем.

После краткого описания модели необходимо указать, что при передаче данных (файла, например) они делятся на небольшие пакеты. Смысл деления в уменьшении вероятности искажения пакета при передаче, а при наличии контроля доставки – объем повторно передаваемых пакетов также будет небольшим. Функции уровня выполняют программные модули, реализующие соответствующие протоколы. При этом протокол (здесь и далее так называем модуль, реализующий протокол) на одной стороне взаимодействует с таким же протоколом на другой стороне – для этого он передает определенные биты, которые информативны для протокола другой стороны. Биты эти помещаются перед самими передаваемыми данными (иногда дополнительно есть и после – т.н. «концевик») и называются заголовком пакета. Область данных пакета может быть фиксированной длины, но чаще – переменной, заголовки так же могут иметь фиксированную длину или переменную, но сама структура заголовка строгая – каждая смысловая группа бит в строго определенно месте. Это позволяет передавать много служебной информации в сравнительно небольшом количестве бит. С другой стороны – все заголовки значительно увеличивают объем передаваемых данных. Каждый последующий уровень вкладывает весь полученный от предыдущего уровня пакет в область данных своего пакета и добавляет свои заголовки. У узла-получателя такой же протокол читает и обслуживает (выполняет что-то) «свои» заголовки, а все из области данных передает следующему протоколу, которые так же читает свои заголовки и т.д.

Базируясь на введенных общих понятиях можно начинать давать конкретный стек протоколов – TCP/IP. Структура стека описывается с приведением соответствия уровней стека и уровней модели: Уровень сетевых интерфейсов – физический и канальный, Сетевой уровень – сетевой, Транспортный уровень – транспортный и сеансовый, Прикладной уровень – представительный и прикладной. После чего уровни «наполняются» протоколами: ip, tcp, udp, tls, dns, ftp, telnet, ssh, http, smtp, pop3, imap4, fbr, ntp, irc, nbt, nfs. Для прикладных протоколов можно сразу описывать вид сервиса и давать какие-то подробности использования.

В качестве примера работы стека можно привести, например, взаимодействие web-клиента и web-сервера (необходимо будет конкретизировать понятия и кратко пояснить как работает служба). Примерная последовательность. Клиент запрашивает сервер копирует с сервера (предварительно авторизовавшись) файл для построения изображения страницы у себя в окне. Для этого клиент проверяет адрес сервера – если это не ip адрес (т.е., символьный), то строка адреса передается на этой же стороне клиенты службы dns. Клиент dns передает адрес серверу dns по умолчанию (указан в сетевой конфигурации системы). Сервер находит соответствие (можно кратко пояснить работу службы) и возвращает клиенту dns адрес ip, соответствующий символьному. Клиент dns возвращает полученный ip клиенту http (браузеру). Браузер передает в стек адрес и формирует сообщение для передачи, в котором содержатся данные файла и его атрибуты (название и т.д.). Если клиент обнаруживает, что сервер использует шифрование – он инициирует запуск модуля tls (кратко пояснить), который связывается с таким же модулем на стороне сервера и они организуют шифрованный обмен данными (работу по шифрованию-дешифрованию можно разъяснять отдельно и комплексно). На стороне сервера tls шифрует сообщение и передает протоколу tcp. Здесь можно сделать отступление и пояснить, что на этом уровне используется или tcp или udp (quic не затрагивается). Объясняется разница протоколов и использование (на примере ntp). Здесь же вводится понятие сетевого порта: для различения процессов, участвующих в сетевых соединениях и находящихся в одной системе, отдельные пространства портов tcp и udp, зарезервированные номера портов, порядок назначения. Протокол tcp (в текущем примере) разбивает сообщение на пакеты и снабжает их заголовками [5, с. 15]. В заголовке, в частности, содержится «номер» пакета в сообщении, контрольная сумма (пояснить кратко), и еще ряд служебных полей. Посредством этого tcp открывает (переговаривается с сервером предварительно) и закрывает (сервер ставит метку «последний пакет») соединение, контролирует доставку и точность данных, регулирует окно (кратко пояснить), назначает повторную передачу пакетов – но все это требует времени и дополнительной работы. Протокол udp не делает ничего этого: клиент отправляет серверу запрос в предположении, что сервер существует и запрос не исказится, а сервер посылает ответ в предположении, что данные дойдут и также не будут искажены. Формат пакета значительно проще [3, с. 1]. Оба протокола указывают в заголовках номер порта получателя и номер порта у отправителя и передают пакет протоколу ip, который добавляет свой заголовок. В заголовке ip, в частности, содержатся сетевые адреса («ip-адрес») получателя и отправителя и по этому адресу пакет доставляется получателя, проходя через последовательность сетевых сегментов с различными канальными технологиями, но единым сетевым адресным пространством. Форматы заголовков зависят от версии протокола – существует ip v4 [2, с. 11] и ip v6 [1, с. 4] (можно кратко пояснить причины и указать форматы, но подробности вынести в отдельное изложение или вообще опустить). Пакеты от ip поступают на канальный уровень, где может быль любая поддерживаемая технология. Здесь так же добавляются заголовки, содержащие физические (так же МАС или аппаратные) адреса получателя и отправителя. Эти адреса имеют смысл («работают») в пределах данного сегмента – пре переходе через шлюз заголовки отбрасываются, а в новом сегменте формируются новые. Неизменным остается пакет с ip адресами. При достижении конечного узла (в примере это узел с клиентом http) такие же протоколы последовательно распаковывают пакет. Протокол tcp собирает пакеты во временный буфер, расставляя их по номерам, и после сборки сообщения передает его модулю tls. Модуль дешифрует сообщение и передает его http, который создает из этого сообщения во временном каталоге браузера файл, и браузер использует его.

Далее можно рассказать подробнее про работу сервиса dns: сеть dns серверов, история появления службы (можно рассказать про hosts), структуры адресов и понятие зон, корневые сервера, административная организация регистрации имен и распределения сетевых адресов, способы назначения сетевых адресов, необходимость dns адресации исключительно для удобства пользователя. Дополнительно имеет смысл провести сравнение адресации на канальном, сетевом и прикладном уровнях.

Кроме TCP/IP необходимо достаточно кратко изложить историю и современное состояние стека протоколов NetBIOS-NetBEUI-NBT. Из истории нужно только происхождение и изначальное применение. В актуальном состоянии следует объяснить, что практически используется прикладной протокол nbt с TCP/IP для поддержания специфических сервисов («Служба доступа к файлам и принтерам»), необходимых для работы операционных систем от Micriosoft, и что прикладной протокол nbt по сути является эмулятором стека («обманывает систему»). Обязательно необходимо дать структуру имен сетевых ресурсов (\\...\...). Дополнительно можно дать пояснения терминам «CIFS», «Samba».

Список литературы:

1. Deering S. RFC: 2460 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ietf.org/rfc/rfc2460.txt (дата обращения: 10.12.2024).
2. Internet Protocol RFC: 791 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ietf.org/rfc/rfc791.txt (дата обращения: 11.12.2024).
3. Postel J. RFC: 768 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ietf.org/rfc/rfc768.txt (дата обращения: 13.12.2024).
4. Socolofsky T. RFC: 1180 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ietf.org/rfc/rfc1180.txt (дата обращения: 12.12.2024).
5. Transmission Control Protocol RFC: 793 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ietf.org/rfc/rfc793.txt (дата обращения: 15.12.2024).
6. Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Юбилейное издание. – СПб.: Питер, 2020. – 1008 с.