Архитектура локальных сетей

Сетевая архитектура соответствует реализации физического и канального уровня модели OSI. Она определяет кабельную систему, кодирование сигналов, скорость передачи, структуру кадров (фреймов), топологию и метод доступа. Каждой архитектуре соответствуют свои компоненты — кабели, разъемы, интерфейсные карты, кабельные центры и т. д.

1. Первое поколение архитектур обеспечивало низкие и средние скорости передачи: LocalTalk — 230 кбит/с, ARCnet — 2.5 Мбит/с, Ethernet — 10 Мбит/с и Token Ring — 16 Мбит/с. Исходно они были ориентированы на электрические кабели.

2. Второе поколение — FDDI (100 Мбит/с), АТМ (155 Мбит/с и выше). Fast Ethernet (100 Мбит/с) в основном ориентировано на оптоволоконный кабель (Fiber-based).

 

Ethernet

Ethernet — архитектура сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей (все узлы получают пакет одновременно), метод доступа CSMA/CD, реализует два нижних уровня модели OSI. Стандарт определен документом IEEE802.3. По физической реализации различают:

· 10Basе5 — Thick («толстый») Ethernet;

· 10Base2 — Thin («тонкий») Ethernet;

· 10BaseT — Twisted-pair Ethernet — на витой паре;

· 10Broad36 — сеть на широкополосном 75-омном коаксиальном кабеле;

· 10BaseF — несколько вариантов сети на оптоволоконном кабеле;

· 100BaseT — 100 Мбит/с стандарты Ethernet, включающие 100BaseT4, 100BaseTX (наиболее распространенный Fast Ethernet), 100BaseFX

· Gigabit Ethernet

 

Первый элемент обозначения: скорость, Мбит/с. Второй элемент: Base — прямая (немодулированная) передача, Broad — использование широкополосного кабеля с частотным уплотнением каналов. Третий элемент: среда передачи или длина кабеля в сотнях метров.

«Толстый» Ethernet

Синонимы: ThickNet, Yellow (желтый кабель). Standard Ethernet, 10Base5. Классический вариант, введенный в 60-х годах, использует толстый коаксиальный кабель RG-8 с посеребренной центральной жилой и двойной экранной оплеткой. Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом, малое затухание и высокую помехозащищенность. Максимальная длина сегмента — 500 м, на концах сегмента устанавливаются разъемы и 50-омные терминаторы, один из которых заземляется. Кабель желтого цвета всегда имеет разметку в виде черных рисок через каждые 2.5 м, обозначающую возможные точки подключения или отреза. Отрезки кабеля могут соединяться разъемами, Т-образные ответвления недопустимы. Допускается соединение в линию через повторители до 5 сегментов (2500 м), из которых не более трех могут использоваться для подключения узлов (Trunk segments), остальные (Link segments) используются как удлинители. На каждом сегменте может быть до 100 узлов, считая и повторители.

На кабель устанавливается трансивер — MAU (Media Attachment Unit), активное устройство с питанием 12В от интерфейса устройств присоединения AUI (Attachment Unit Interface), обеспечивающий доступ к шине через импульсный трансформатор. Трансивер устанавливается либо между концевыми разъемами отрезков кабеля (как вставка или через Т-коннектор), либо с прокалыванием кабеля («вампир»). К сетевому адаптеру трансивер подключается специальным кабелем-спуском длиной до 50 м. Кабель содержит линии питания трансивера и экранированные витые пары для сигналов приема, передачи и обнаружения коллизии. Кабель имеет диаметр около 1 см, присоединяется 15-штырьковыми разъемами D-типа с защелками. Жесткость кабеля создает эксплуатационные неудобства.

Толстый кабель сложен в монтаже. Основное преимущество — высокая помехозащищенность кабеля и напряжение изоляции трансивера. Применяется для прокладки базовых сегментов (Backbone).

«Тонкий» Ethernet

Синонимы: ThinNet, 10Base2, CheaperNet (дешевая сеть). Популярный вариант, использует тонкий коаксиальный кабель RG-58, имеющий волновое сопротивление 50 Ом, среднее затухание и помехозащищенность. Максимальная длина сегмента — 185 м, для многих современных адаптеров — 300 м. На концах сегмента устанавливаются разъемы и 50-омные терминаторы, один из которых заземляется. Сеть с не 50-омными терминаторами неработоспособна. Применение кабеля с другим волновым сопротивлением приводит к образованию «черных дыр», в которых реальная скорость обмена может падать до нуля. Допускается соединение в линию через повторители до 5 сегментов (925 м или 1500 м), из которых не более трех могут использоваться для подключения узлов (Trunk segments), остальные (Link segments) используются как удлинители. На каждом сегменте может быть до 30 узлов, считая и повторители. Узлы подключаются с помощью Т-коннекторов, минимальное расстояние между коннекторами 0.5 м. Ограничение длины Т-образного ответвления (10 см) создает неудобства подключения настольных компьютеров, поскольку от каждого Т-коннектора, вставленного в сетевую карту, отходят кабели в обе стороны.

Применяемые соединители: BNC-connector — на концах отрезков, BNC T-connector — для подключения узлов, BNC -connector — для соединения отрезков кабеля.

Оптимальное применение — для прокладки базовой сети между хабами.

Возможно сочетание толстого и тонкого кабеля в одном сегменте, для чего предусмотрены специальные переходные разъемы. Максимальная длина тонкого кабеля (в метрах) определяется по формуле MaxThinLen = (500-ThickLen)/3.28. Максимально допустимое количество узлов в сегменте — от 30 до 100.

 

Ethernet на витой паре (Twisted-Pair Ethernet)

Сюда относятся: 10BaseT, 100BaseTX, 100BaseT4. Среда передачи для 10BaseT, 100BaseTX — две неэкранированные витые пары DTP (Unshielded Twisted Pair) категорий 3, 4 или 5; для 100BaseT4 — четыре пары UTP категории 5 или экранированные витые пары STP (Shielded Twisted Pair).

 

 

Рис.8 Сеть стандарта 10Base-T

 

Физическая топология — звезда: каждый узел подключается к своему порту хаба лучом кабеля длиной до 100 м. Конечные узлы соединяются по топологии «точка-точка» со специальным устройством — многопортовым повторителем с помощью двух витых пар. Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Т_х сетевого адаптера), а другая — для передачи данных от повторителя к станции (вход R_х сетевого адаптера). Для каждой пары сигналов (R_x+, R_x- и Т_х+ , Т_х-) должны использоваться свитые вместе провода, один из которых, как правило, цветной другой - белый с полосками того же цвета. Кабель между хабом и адаптером узла прямой, между хабами — перекрестный. Два компьютера можно связать и без хаба перекрестным кабелем. На рис. 8 показан пример трехпортового повторителя. Повторитель принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.

Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (англоязычные термины —Hub или concentrator). Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных — логический моноканал (логическая общая шина). Повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим R_х-входам и посылает jam-последовательность на все свои Т_х-выходы. Базовый стандарт 10Base-T определяет битовую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии витой пары качества не ниже категории 3. Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары — на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10Мбит/с при использовании манчестерского кода. Концентраторы 10Base-Т можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом нужно позаботиться о том, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственноственно с приемником и передатчиком другого порта.

Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимальное число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов» и оно заменяет «правило 5-4-3», применяемое к коаксиальным сетям. При создании сети 10Base-Т с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру.

Необходимо отметить, что петлевидное соединение концентраторов в стандарте 10Ваsе-Т запрещено, так как оно приводит к некорректной работе сети. Это требование означает, что в сети 10Base-Т не разрешается создавать параллельные каналы связи между критически важными концентраторами для резервирования связей на случай отказа порта, концентратора или кабеля. Резервирование связей возможно только за счет перевода одной из параллельных связей в неактивное (заблокированное) состояние.

Общее количество станций в сети 10Base-Т не должно превышать общего предела в 1024, и для данного типа физического уровня это количество действительно можно достичь. Для этого достаточно создать двухуровневую иерархию концентраторов, расположив на нижнем уровне достаточное количество концентраторов с общим количеством портов 1024. Конечные узлы нужно подключить к портам концентраторов нижнего уровня. Правило 4-х хабов при этом выполняется - между любыми конечными узлами будет ровно 3 концентратора.

Максимальная длина сети в 500 м здесь понимается как максимальное расстояние между любыми двумя конечными узлами сети (часто применяется также термин «максимальный диаметр сети»). Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети 10Base-Т составляет 5x100 = 500 м.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-Т, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.

В стандарте 10Base-Т определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков витой пары, соединяющих трансивер конечного узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связности, и она основана на передаче каждые 16 мс специальных импульсов J и K манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой витой пары. Если тест не проходит, то пoрт блокируется и отключает проблемный узел от сети. Так как коды J и K являются запрещенными при передаче кадров, то тестовые последовательности не влияют на работу алгоритма доступа к среде.

Звездообразная физическая топология имеет конструктивные преимущества по сравнению с шиной:

• к каждому узлу подходит только один гибкий кабель;

• повреждение одного лучевого кабеля приводит к отказу соединения только одного узла;

• несанкционированное прослушивание пакетов в сети затруднено.

Cуществуют переходные устройства с тонкого кабеля на витую пару, представляющие собой активные устройства - повторители или вырожденные (двухпортовые) хабы.

Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным преимуществом технологии 10Base-Т по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Благодаря концентраторам сеть Ethernet приобретает свойства отказоустойчивой системы.

 

Оптоволоконный Ethernet

Использование оптоволокна в качестве среды передачи принципиально позволяет реализовать как шинную, так и звездообразную физическую топологию. Реализация шины физически существенно сложнее, поэтому в настоящее время распространен вариант двухточечного подключения. При этом два узла связываются двумя нитками волокна, по которым сигнал передается во встречных направлениях, аналогично связи по витой паре. При существенном удалении узлов кабель состоит из трех частей: основного кабеля, возможно включающего в себя большое количество волокон и предназначенного для прокладки в различных климатических и эксплуатационных условиях, и двух пар оконечных отрезков, присоединяемых к аппаратуре с помощью оптических разъемов. Оконечные отрезки привариваются к волокнам основного кабеля с помощью специального оборудования. От качества среза и сварки сильно зависит затухание сигнала и, следовательно, надежность связи.

Оптоволоконная аппаратура имеет ряд преимуществ:

· нечувствительность к электрическим и электромагнитным помехам;

· исчисляемое километрами расстояние передачи без повторителей и тысячами километров — с промежуточными ретрансляторами;

· высокая степень конфиденциальности каналов

· широкополосность каналов.

Оптоволоконные стандарты в качестве основного типа кабеля для 10 мегабитного Ethernet рекомендуют дешевое многомодовое оптическое волокно, обладающее полосой пропускания 500-800МГц при длине кабеля 1 км. Допустимо и более дорогое одномодовое оптическое волокно с полосой пропускания в несколько гигагерц, но о применять специальный тип трансивера.

Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов; что и сеть стандарта 10Base-Т — сетевых адаптеров, многопортового повторителей и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и в случае витой пары, для соединения адаптера с повторителем используются два оптоволокна – одно соединяет выход Т_х адаптера со входом R_х повторителя, а другое вход R_x адаптера с выходом Т_х повторителя (см. рис.8).

Базовые стандарты Ethernet на оптоволокне – это 10Base–FL и 10Base-FB. Стандарт 10Base–FL гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 2000 м при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей между любыми узлами сети - 4. Максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, хотя максимальные отрезки кабеля между всеми 4 повторителями, а также между повторителями и конечными узлами недопустимы — иначе получится сеть длиной 5000 м.

10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Base-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Как и в стандарте 10Вазе-Т, оптоволоконные стандарты Ethernet разрешают соединять концентраторы только в древовидные иерархические структуры. Любые петли между портами концентраторов не допускаются.

Домен коллизий

В технологии Ethernet, независимо от применяемого стандарта физического уровня, существует понятие домена коллизий.

Домен коллизий — это часть сети Ethernet;, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия воз­никла." Сеть Ethernet, построенная на."повторителях, всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.

 

Рис.9 Иерархическое соединение концентраторов Ethernet

 

Приведенная на рис.9 сеть представляет собой один домен коллизий. Если столкновение кадров произошло в концентраторе 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов 10Base-Т сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов.

Если же вместо концентратора 3 поставить в сеть мост, то его порт С, связанный с концентратором 4, воспримет сигнал коллизии, идущий от концентратора 4, но не передаст его на свои остальные порты, так как это не входит в его обязанности. Мост просто отработает ситуацию коллизии средствами своего порта С, который подключен к общей среде, где эта коллизия возникла. Если коллизия возникла из-за того, что мост пытался передать через порт С кадр в концентратор 4, то, зафиксировав сигнал коллизии, порт С приостановит передачу кадра и попытается передать его повторно через случайный интервал времени. Если порт С принимал в момент возникновения коллизии кадр, то он просто отбросит полученное начало кадра и будет ожидать, когда узел, передававший кадр через концентратор 4, не сделает повторную попытку передачи. После успешного принятия данного кадра в свой буфер мост передаст его на другой порт в соответствии с таблицей продвижения, например на порт А. Все события, связанные с обработкой коллизий портом С, для остальных сегментов сети, которые подключены к другим портам моста, останутся просто неизвестными.

Узлы, образующие один домен коллизий, работают синхронно, как единая распределенная электронная схема.

 

Token Ring

Token Ring (маркерное кольцо) — архитектура сетей с кольцевой логической топологией и детерминированным методом доступа с передачей маркера, реализует два нижних уровня модели OS1. Стандарт определен документом IЕЕЕ 802.5, но IBM — основной проводник этой архитектуры — использует несколько отличающуюся спецификацию.

Логическое кольцо реализуется на физической звезде, в центре которой находится MAU (Multistation Access Unit) — хаб с портами подключения каждого узла. Для присоединения кабелей используются специальные разъемы, обеспечивающие замыкание кольца при отключении узла от сети. При необходимости сеть может расширяться за счет применения дополнительных хабов, связанных в общее кольцо. Требование безразрывности кольца усложняет кабельное хозяйство Token Ring, использующее четырехпроводные экранированные (STP) и неэкранированные (UTP) витые пары и специальные коммутационные средства.

Облегченный вариант разводки (на UTP) обеспечивает подключение до 96 станций к 12 восьмипортовым хабам с максимальным удалением станции от хаба 45 м. Длина кабелей, соединяющих хабы (patch cable), может достигать 45 м при их суммарной длине не более 120 м.

Стационарная разводка (на STP) обеспечивает подключение до 260 станций к 33 хабам с максимальным удалением станции от хаба 100 м. Длина кабелей, соединяющих хабы, может достигать 100 м при их суммарной длине не более 200 м.

Оптоволоконный кабель увеличивает длину сегмента до 1 км.

Информация по кольцу передается только в одном направлении по цепочке от станции к станции, скорость передачи 4 или 16 Мбит/с. Адаптер узла копирует в свой буфер только адресованные ему пакеты. Право на передачу пакета со своей информацией передается узлу с помощью специального короткого пакета — маркера, в структуру которого входит поле приоритета, задающее уровень приоритета узла, имеющего право на захват маркера. Пакет, не нашедший своего адресата за один оборот по кольцу, удаляется монитором кольца. Маркер в кольцо запускается активным монитором — узлом (обычно это сервер), отвечающим за его постоянное присутствие, действительность и единственность.

Остальные узлы являются резервными мониторами, и в случае обнаружения исчезновения активного монитора инициируют процесс определения нового активного монитора.

Использование системных ресурсов PC и конфигурирование адаптеров аналогично Ethernet. Программное обеспечение кроме обычного для всех сетевых адаптеров содержит дополнительные модули - агенты как на сервере, так и на рабочей станции.

Основное преимущество Token Ring — заведомо ограниченное время ожидания обслуживания узла (в отличие от Ethernet не возрастающее при усилении трафика), обусловленное детерминированным методом доступа и возможностью управления приоритетом. Это свойство позволяет использовать Token Ring в системах реального времени. Кроме того, сети Token Ring легко соединяются с сетями на больших машинах (IBM Mainframe).

Недостатками Token Ring являются высокая стоимость оборудования и сложность построения больших сетей (WAN).

5. Internet и TCP/IP

Internet представляет собой всемирную разветвленную систему связанных между собой узлов и локальных сетей. Передача данных в Internet основана на принципе коммутации пакетов, в соответствии с которым поток данных, передаваемых от одного узла другому, разбивается на пакеты, передающиеся в общем случае через систему коммуникаций и маршрутизаторов независимо друг от друга и вновь собирающиеся на приемной стороне. Протокольный стек (Internet Protocol Suite) TCP/IP формировался при разработке глобальной сети ARPA-net, впоследствии переросшей во всемирную сеть Internet. Протоколы базируются на IP (Internet Protocol) — протоколе негарантированной доставки пакетов (дейтаграмм) без установления соединения.

Internet связывает около 40 миллионов пользователей во всем мире. Им предоставляются услуги электронной почты (протокол SMTP), передачи файлов (FTP), эмуляции терминалов — выполнение заданий на удаленных компьютерах (TelNet).

Наиболее популярные средства доступа к информации Internet:

Archie — индексный поиск файлов. Каждый сервер периодически выдает списки предоставляемых им файлов и описаний специальным Archie-серверам. Для поиска нужного файла клиентское обеспечение Arhie генерирует запрос, ответом на который будет являться список местоположений и описаний (аннотаций) файлов, удовлетворяющих данному запросу. В дальнейшем требуемый файл может быть получен с помощью FTP.

Gopher — система меню для поиска (навигации) и получения требуемой информации. Путешествуя по каталогам, можно найти требуемый файл и использовать для его получения или просмотра средства, соответствующие его природе, в том числе мультимедии-ные. Удобный интерфейс пользователя скрывает реальную работу протокола TelNet.

World Wide Web (WWW) — сервис, позволяющий с помощью текстово-графических страниц (включающих иконки и качественные картинки) с перекрестными ссылками путешествовать по сети Internet в поисках текстовой, графической и мультимедийной информации. Поиск и представление информации осуществляет клиентское ПО — браузер, например Explorer или NetScape.

 

Построение больших сетей

Большие глобальные сети типа Internet строятся на основе протоколов сетевого уровня. В стандартной модели взаимодействия открытых систем в функции сетевого уровня входит решение следующих задач:

· передача пакетов между конечными узлами в сосотавных сетях;

· выбор маршрута передачи пакетов, наилучшего по некоторому критерию;

· согласование разных протоколов канального уровня, использующихся в отдельных подсетях одной составной части

Протоколы сетевого уровня реализуются, как правило, в виде программных модулей и выполняются на конечных узлах-компьютерах, называемых хостами, а также на промежуточных узлах-маршрутизаторах, называемых шлюзами. Функции маршрутизаторов могут выполнять как специализированные устройства, так и универсальные компьютеры с соответствующим программным обеспечением

Создание сложной структурированной сети, интегрирующей различные базовые технологии, может осуществляться и средствами канального уровня: для этого могут быть использованы некоторые типы мостов и коммутаторов. Мост или коммутатор разделяет сеть на сегменты, локализуя трафик внутри сегмента, что делает линии связи разделяемыми преимущественно между станциями данного сегмента. Тем самым сеть распадается на отдельные подсети, из которых могут быть построены составные сети достаточно крупных размеров. Однако построение сложных сетей только на основе повторителей, мостов и коммутаторов имеет существенные ограничения и недостатки.

 

 

 

 

Рис.10. Архитектура составной сети

 

Основная идея введения сетевого уровня состоит в следующем: сеть в общем случа рассматривается как совокупность нескольких сетей и называется составной сетью или интерсетью. Сети, входящие в основную сеть, называются подсетями.

Подсети соединяются между собой маршрутизаторами. Компонентами составной сети могут являться как локальные, так и глобальные сети. Внутренняя структура каждой сети на рисунке не показана, так как она не имеет значения при рассмотрении сетевого протокола. Все узлы в пределах одной подсети взаимодействуют, используя единую для них технологию. Так, в составную сеть, показанную на рисунке 10, входит несколько сетей разных технологий: локальные сети Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring и глобальные сети Frame Relay, Х.25, ISDN. Каждая из этих технологий достаточна для того, чтобы организовать взаимодействие всех узлов в своей подсети, но не способна построить информационную связь между произвольно выбранными узлами, принадлежащими разным подсетям, например между узлом А и узлом В на рис.8. Следовательно, для организации взаимодействия между любой произвольной парой узлов этой «большой» составной сети требуются дополнительные средства. Такие средства и предоставляет сетевой уровень.

Сетевой уровень выступает в качестве координатора, организующего работу всех подсетей, лежащих на пути продвижения пакета по составной сети. Для перемещения данных в пределах подсетей сетевой уровень обращается к используемым в этих подсетях технологиям.

Хотя многие технологии локальных сетей (Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI и др.) используют одну и ту же систему адресации узлов на основе МАС-адресов, существует немало технологий (Х.25, АТМ, Frame Relay), в которых применяются другие схемы адресации. Адреса, присвоенные узлам в соответствии с технологиями подсетей, называют локальными. Чтобы сетевой уровень смог выполнить свою задачу, ему необходима собственная система адресации, не зависящая от адресации узлов в отдельных подсетях, которая позволила бы на сетевом уровне универсальным и однозначным способами идентифицировать любой узел составной сети.

Естественным способом формирования сетевого адреса является уникальная нумерация всех подсетей составной сети и нумерация всех узлов в пределах каждой подсети. Таким образом, сетевой адрес представляет собой пару: номер сети (подсети) и номер узла.

В качестве номера узла может выступать либо локальный адрес этого узла (такая схема принята в стеке IРХ/SРХ), либо некоторое число, никак не связанное с локальной технологией, которое однозначно идентифицирует узел в пределах данной подсети. В первом случае сетевой адрес становится зависимым от локальных технологий, что ограничивает его применение. Например, сетевые адреса IРХ/SРХ рассчитаны на работу в составных сетях, объединяющих сети, в которых используются только МАС-адреса или адреса аналогичного формата. Второй подход более универсален, он характерен для стека ТСР/IР. И в том и другом случае каждый узел составной сети имеет наряду со своим локальным адресом еще один - универсальный сетевой адрес.

Данные, которые поступают на сетевой уровень и которые необходимо передать через составную сеть, снабжаются заголовком сетевого уровня. Данные вместе с заголовком образуют пакет. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня тех сетей, которые могут входить в объединенную сеть, и несет наряду с другой служебной информацией данные о номере сети, которой предназначается этот пакет. Сетевой уровень определяет маршрут и перемещает пакет между подсетями.

При передаче пакета из одной подсети в другую пакет сетевого уровня, инкапсулированный в прибывший канальный кадр первой подсети, освобождается от в этого кадра и окружается заголовками кадра канального уровня следующей подсети. Информацией, на основе которой делается эта замена, являются служебные поля пакета сетевого уровня. В поле адреса назначения нового кадра указывается локальный адрес следующего маршрутизатора.

Необходимо отметить, что если в подсети доставка данных осуществляется средствами канального и физического уровней (как, например, в стандартных локальных сетях), то пакеты сетевого уровня упаковываются в кадры канального уровня. Если же в какой-либо подсети для транспортировки сообщений используется технология, основанная на стеках с большим числом уровней, то пакеты сетевого уровня упаковываются в блоки передаваемых данных самого высокого уровня подсети.

Основным полем заголовка сетевого уровня является номер сети-адресата. В протоколах локальных сетей такого поля в кадрах предусмотрено не было — предполагалось, что все узлы принадлежат одной сети. Явная нумерация сетей позволяет протоколам сетевого уровня составлять точную карту межсетевых связей и выбирать рациональные маршруты при любой их топологии, в том числе альтернативные маршруты, если они имеются, что не умеют делать мосты и коммутаторы.

Кроме номера сети заголовок сетевого уровня должен содержать и другую информацию, необходимую для успешного перехода пакета из сети одного типа в сеть другого типа. К такой информации может относиться, например:

· номер фрагмента пакета, необходимый для успешного проведения операций сборки-разборки фрагментов при соединении сетей с разными максимальными размерами пакетов;

· время жизни пакета, указывающее, как долго он путешествует по интерсети, это время может использоваться для уничтожения «заблудившихся» пакетов;

· качество услуги — критерий выбора маршрута при межсетевых передачах -например, узел-отправитель может потребовать передать пакет с максимальной надежностью, возможно, в ущерб времени доставки.

Когда две или более сети организуют совместную транспортную службу, то такой режим взаимодействия обычно называют межсетевым взаимодействием.

 

Протоколы Internet

Сетевой уровень:

1. IP (Internet Protocol) обеспечивает негарантированную доставку пакета от узла к узлу, в работе с нижними уровнями использует ARP и RARP.

2. ARP (Address Resolution Protocol) динамически преобразует IP-адрес в физический (MAC). _

3. RARP (Reverse Address Resolution Protocol) обратный к ARP, преобразует физический адрес в IP-адрес.

4. IСМР (Internet Control Message Protocol) управляет передачей управляющих и диагностических сообщений между шлюзами и узлами, определяет доступность и способность к ответу абонентов-адресатов, назначение пакетов, работоспособность маршрутизаторов и т. д. IСМР взаимодействует с вышестоящими протоколами TCP/IP. Сообщения передаются с помощью lP-дейтаграмм.

Транспортный уровень:

1. UDP (User Datagram Protocol) обеспечивает негарантированную доставку пользовательских дейтаграмм без установления соединения между заданными процессами передающего и принимающего узлов. Взаимодействующие процессы идентифицируются протокольными портами (Protocol Ports) — целочисленными значениями в диапазоне 1—65535. Порты 1—255 используются для общеизвестных назначений (Well-known port assignments), остальные назначаются динамически перед посылкой дейтаграммы. UDP-дсйтаграмма имеет заголовок, включающий номера порта источника (для возможности корректного ответа) и порта назначения и поле данных. Длина поля данных UDP-дейтаграммы произвольна, протокол обеспечивает ее инкапсуляцию (помещение в поле данных) в одну или несколько IP-дейтаграмм и обратную сборку на приемной стороне. UDP позволяет множеству клиентов использовать совпадающие порты: дейтаграмма доставляется клиенту (процессу) с заданным IP-адресом и номером порта. Если клиент не находится, то дейтаграмма отправляется по адресу 0.0.0.0 (обычно это «черная дыра»).

2. TCP (Transmission Control Protocol) обеспечивает гарантированный поток данных между клиентами, установившими виртуальное соединение. Поток представляет собой неструктурированную последовательность байт, их интерпретация согласуется передающей и приемной стороной предварительно. Для идентификации используются порты, аналогично UDP-портам. Активная сторона (инициатор обмена) обычно использует произвольный порт, пассивная — порт общеизвестного назначения, соответствующий используемому протоколу верхнего уровня. TCP буферизует входящий поток, ожидая перед посылкой заполнения большой дейтаграммы. Поток сегментируется, каждому сегменту назначается последовательный номер. Передающая сторона ожидает подтверждения приема каждого сегмента, при его длительном отсутствии делает повторную передачу сегмента. Процесс, использующий TCP, получает уведомление о нормальном завершении передачи только после успешной сборки потока приемником. Протокол обеспечивает полный дуплекс, это означает, что потоки данных могут идти одновременно во встречных направлениях.

Уровень представления данных и прикладной уровень:

1. TelNet — обеспечение удаленного терминала (символьного и графического) UNIX-машины. FTP (File Transfer Protocol) — протокол передачи файлов.

2. TFTP (Trivial File Transfer Protocol) — тривиальный протокол передачи файлов.

3. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — протокол передачи электронной почты, определяющий правила взаимодействия и форматы управляющих сообщений.

4. RIP (Routing Information Protocol) — протокол обмена трассировочной информацией между маршрутизаторами.

5. DNS (Domain Name System) — система обеспечения преобразования символических имен и псевдонимов сетей и узлов в IP-адреса и обратно.

 

5.3. Протокольный стек TCP/IP

В настоящее время стек ТСР/IР является самым популярным средством организации составных сетей. До 1996 года бесспорным лидером был стек IРХ/SРХ компании Novell, но затем картина резко изменилась — стек ТСР/IР по темпам роста числа установок намного стал опережать другие стеки, а с 1998 года вышел в лидеры и в абсолютном выражении. Именно поэтому дальнейшее изучение функций сетевого уровня будет проводиться на примере стека ТСР/IР.

В стеке ТСР/IР определены 4 уровня (рис. 9). Каждый из этих уровней несет на себе некоторую нагрузку по решению основной задачи - организации надежной и производительной работы составной сети, части которой построены на основе разных сетевых технологий.

 

Уровень I	Прикладной уровень
Уровень II	Основной (транспортный) уровень
Уровень III	Уровень межсетевого взаимодействия
Уровень IV	Уровень сетевых интерфейсов

 

Рис.9 Многоуровневая архитектура стека TCP/IP