Протоколы канального уровня и сетевые технологии

Функциональный состав того или иного протокола канального уровня во многом определяется особенностями физического уровня, например, топологией сети или типом среды передачи. Поэтому при проектировании сетевого взаимодействия используются и разрабатываются комплексные стандарты, получившие название сетевых технологий.

Сетевая технология – это набор стандартов, определяющий минимальный состав программно-аппаратных средств, достаточный для организации взаимодействия компьютеров в сети. Как правило, сетевая технология определяет топологию сети, а также протокол канального уровня (формат кадра, порядок обмена кадрами, MTU).

В настоящее время существует большое количество сетевых технологий и, соответственно, определяемых ими протоколов канального уровня. Рассмотрим для примера одну из наиболее популярных в настоящее время технологий – технологию локальных сетей Ethernet. Эта технология предполагает, что сеть должна строиться на основе физических топологий "шина", если используется коаксиальный кабель, или "звезда", если используется кабель типа "витая пара". В зависимости от типа используемого кабеля скорость передачи данных лежит в диапазоне 10-100 Мбит/с. В качестве метода доступа к среде передачи используется метод обнаружения коллизий (CSMA/CD). Что касается формата кадра, то в настоящее время на практике используются 4 варианта кадров Ethernet, отличающихся друг от друга, но все они согласуются с общими положениями, изложенными ранее. Максимальный объем данных, передаваемых в одном кадре (MTU), в технологии Ethernet не может превышать 1500 байт.

Помимо технологии Ethernet в настоящее время в локальных сетях широко используются технологии AppleTalk, FDDI и ATM. В глобальных сетях широко распространены технологии ATM, FrameRelay, ISDN и SMDS.

Существует также ряд технологий, использующихся для организации беспроводных сетей. Наиболее популярной технологией, применяемой при построении локальных сетей, в настоящее время является технология RadioEthernet. Она предполагает передачу данных в двух УКВ-диапазонах: около 915 МГЦ и 2400-2483,5 МГц, а также в инфракрасном спектре. Диапазон 915 МГц в России и Европе достаточно сильно загружен средствами связи (сотовая телефония), поэтому он используется, как правило, для организации сетей внутри зданий, хотя технически позволяет осуществлять передачу на значительные расстояния. Это же ограничение распространяется и на инфракрасный диапазон, поскольку инфракрасные лучи чувствительны к погодным условиям. В зависимости от того, какой режим передачи используется, сети RadioEthernet позволяют осуществлять передачу данных со скоростью 2 - 10 Мбит/с. Технология RadioEthernet предполагает построение сетей на базе топологий "точка-точка" и "звезда". В качестве метода доступа используется метод предупреждения коллизий (CSMA/CA).

Наряду с кабельными и беспроводными технологиями существуют также технологии, предполагающие комбинирование различных типов физической среды передачи. Обычно они применяются для построения асимметричных сетей: небольшие по объему запросы пользовательских компьютеров передаются по кабельным каналам, например, с использованием телефонных линий и модемов, а прием осуществляется через спутниковый радиоканал.

Объединение сетей на канальном уровне

Сложные сети, в общем случае, представляют собой совокупность нескольких сетей. Такие сети называются объединенными сетями (internetwork).

Необходимость объединения сетей может быть вызвана разными причинами. Прежде всего, это - преодоление технических ограничений среды передачи, например, максимального расстояния передачи данных. Кроме того, построение сети как объединенной позволяет повысить надежность (выход из строя одной физической среды не влияет на работу остальных) и обеспечить определенный уровень конфиденциальности (данные, передаваемые между компьютерами одной физической среды, оказываются недоступными компьютерам других сетей).

Для построения объединенных сетей требуются специальные устройства, которые позволяют подключать к себе две (или более) сети. Наиболее простым устройством такого вида является мост (bridge).

Мост

Принцип функционирования моста достаточно прост: для подключения сетей мост располагает несколькими портами, с каждым из которых связываются записи так называемой адресной таблицы, содержащей список адресов компьютеров сетей, подключенных к мосту. Когда мост получает кадр данных, то он передает его в сеть через порт, который согласно таблице соответствует адресу получателя. В случае, если адрес получателя не обнаружен в адресной таблице, то кадр передается во все сети. Адресные таблицы мостов, как правило, строятся на основе анализа кадров, передаваемых по сетям.

Важной проблемой, возникающей при использовании мостов, является объединение сетей, базирующихся на разных технологиях. Вообще говоря, существуют так называемые транслирующие мосты, позволяющие объединять сети разных технологий. Однако объединяемые сети должны иметь единый принцип адресации. Так, например, можно объединить сеть Ethernet с сетью FDDI, поскольку адрес сетевого адаптера, работающего по технологии Ethernet, будет понятен сетевому адаптеру FDDI и наоборот. А вот сеть, построенную на базе протокола канального уровня SLIP, нельзя объединить с помощью моста с сетью Ethernet, поскольку в отличие от Ethernet, SLIP вообще не предусматривает механизм адресации. Поэтому для построения объединенных сетей, в общем случае, требуется функциональная надстройка, обеспечивающая единую логическую систему адресации. Такая система не должна зависеть от принципов физической адресации, принятых для каждой конкретной сетевой технологии.

Урок 4. Сетевой уровень

Функции сетевого уровня:

Сети, входящие в состав объединенной сети, могут строиться на основе различных сетевых технологий. Каждая сетевая технология вполне достаточна для организации обмена информацией в рамках одной подсети, но не позволяет осуществлять взаимодействие компьютеров данной подсети с компьютерами подсетей, основанных на других технологиях. Это объясняется возможной несовместимостью протоколов и способов адресации, определенных различными технологиями. Поэтому для обеспечения функционирования объединенных сетей требуются средства, представляющие собой "надстройку" над канальным уровнем, позволяющую абстрагироваться от конкретных решений, заложенных в сетевых технологиях. В качестве такой надстройки выступают средства сетевого уровня модели OSI.

Очевидно, что устройства этого уровня, предназначенные для объединения сетей, должны быть устроены гораздо сложнее, чем устройства канального уровня. Во-вторых, эти устройства должны обеспечивать целенаправленную передачу данных между абонентами через подсети составной сети (то есть определять путь прохождения данных), чтобы не вызывать перегрузку составной сети. Процесс определения пути прохождения данных через подсети составной сети называется маршрутизацией, а устройства, объединяющие сети и решающие перечисленные задачи, получили название маршрутизаторов.

Итак, для успешного информационного обмена в объединенных сетях средства сетевого уровня должны решать следующие задачи:

· обеспечивать единую систему адресации, не зависящую от сетевой технологии, позволяющую адресовать отдельные сети и узлы;

· определять путь (последовательность сетей), по которому должны пройти данные, чтобы достичь получателя;

· обеспечивать сквозную передачу данных через сети с разной технологией.

В настоящее время существуют различные протоколы сетевого уровня. Основным протоколом, использующимся в Интернет, является протокол IP.

Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) входит в состав стека протоколов TCP/IP и является основным протоколом сетевого уровня, использующимся в Интернет и обеспечивающим единую схему логической адресации устройств в сети и маршрутизацию данных.
Существует несколько версий протокола IP, отражающих изменение требований к функциям с развитием сети Интернет. В настоящее время в качестве стандарта используется версия 4, хотя постепенно внедряется версия 6. В данном разделе рассматриваются технологические решения стандартной версии 4.

Для выполнения своих функций протокол определяет свой собственный формат пакета. Основными информационными полями заголовка пакета являются:

· IP-адреса отправителя и получателя – предназначены для идентификации отправителя и получателя;

· Время жизни пакета (Time To Live, TTL) - определяет время, которое IP-пакет может находиться в сети, и предназначено для предотвращения "захламления" сети "заблудившимися пакетами";

· поля, предназначенные для фрагментации пакетов (см. IP-фрагментация);

· поля, предназначенные для управления обработкой пакета (длина пакета и заголовка, контрольная сумма заголовка, тип обслуживания и т.д.).

С точки зрения протокола IP, сеть рассматривается как логическая совокупность взаимосвязанных объектов, каждый из которых представлен уникальным IP-адресом, называемых узлами (IP-узлами) или хостами (host). Ключевым здесь является слово "логическая", поскольку одно и тоже физическое устройство (компьютер, маршрутизатор и др.) может иметь несколько IP-адресов, т.е. соответствовать нескольким узлам логической сети. Обычно такая ситуация возникает, если физическое устройство имеет несколько устройств передачи данных (сетевых адаптеров или модемов), поскольку для каждого из них должен быть настроен как минимум один уникальный IP-адрес. Хотя нередко компьютеру (или другому устройству), имеющему один сетевой адаптер или модем, может быть присвоено несколько IP-адресов.
Если физическое устройство имеет несколько IP-адресов, то говорят, что оно имеет несколько интерфейсов, т.е. несколько "логических подключений" к сети.

IP-адресация

IP-адрес – это уникальный числовой адрес, однозначно идентифицирующий узел, группу узлов или сеть. IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел (так называемых «октетов »), разделенных точками – W.X.Y.Z, каждое из которых может принимать значения в диапазоне от 0 до 255, например, 213.128.193.154. Для того, чтобы компьютер мог участвовать в сетевом взаимодействии с помощью протокола IP, ему должен быть обязательно присвоен уникальный IP-адрес.

Классы IP-адресов

Существует 5 классов IP-адресов – A, B, C, D, E. Принадлежность IP-адреса к тому или иному классу определяется значением первого октета (W). Ниже показано соответствие значений первого октета и классов адресов.

IP-адреса первых трех классов предназначены для адресации отдельных узлов и отдельных сетей. Такие адреса состоят из двух частей – номера сети и номера узла. Такая схема аналогична схеме почтовых индексов – первые три цифры кодируют регион, а остальные – почтовое отделение внутри региона.

Преимущества двухуровневой схемы очевидны: она позволяет, во-первых, адресовать целиком отдельные сети внутри составной сети, что необходимо для обеспечения маршрутизации, а во-вторых – присваивать узлам номера внутри одной сети независимо от других сетей. Естественно, что компьютеры, входящие в одну и ту же сеть должны иметь IP-адреса с одинаковым номером сети.

В случае если два компьютера имеют IP-адреса с разными номерами сетей (даже если они принадлежат одной физической сети), то они не смогут общаться друг с другом напрямую: для их взаимодействия необходим маршрутизатор. IP-адреса разных классов отличаются разрядностью номеров сети и узла, что определяет их возможный диапазон значений. Следующая таблица отображает основные характеристики IP-адресов классов A,B и C.

Например, IP-адрес 213.128.193.154 является адресом класса C, и принадлежит узлу с номером 154, расположенному в сети 213.128.193.0.

Схема адресации, определяемая классами A, B, и C, позволяет пересылать данные либо отдельному узлу, либо всем компьютерам отдельной сети (широковещательная рассылка). Однако существует сетевое программное обеспечение, которому требуется рассылать данные определенной группе узлов, необязательно входящих в одну сеть. Для того чтобы программы такого рода могли успешно функционировать, система адресации должна предусматривать так называемые групповые адреса. Для этих целей используются IP-адреса класса D. Диапазон адресов класса E зарезервирован и в настоящее время не используется.