Другие технологии локальных сетей

Технология ATM

Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode) – асинхронный режим передачи разработа в начале 1990х годов как высокоскоростная технология передачи данных. Эта технология позволяет передавать разнородные данные (компьютерные данные, речь, видео и т.п.) с высокой скоростью и гарантированным качеством услуг. На физическом уровне эта технология базируется на оптоволоконной среде передачи данных и обеспечивает скорости передачи от 25 Мбит/с до 2,46 Гбит/с.

Технология ATM принципиально отличается от всех рассмотренных ранее технологий локальных сетей:

· все взаимодействия между узлами сети являются двухточечными, т.е. узлы взаимодействуют посредством организации виртуальных соединений, поэтому нет необходимости в механизмах доступа к среде передачи подобных CSMA/CD или маркерного. Однако при этом не поддерживаются широковещательные сообщения;

· весь трафик передается ячейками фиксированной длины (53 байта) а не кадрами переменного размера;

· технология может обеспечивать заданное качество обслуживания – QoS (Quality of Service), позволяя резервировать полосу пропускания для заданного приложения.

Для передачи информации от одного узла к другому, данные сетевого уровня разбиваются модулем ATM на фрагменты фиксированной длины – 48 байт, к ним дописываются заголовки длиной 5 байт и полученные ячейки отправляют в сеть. Существует два формата ячеек: UNI (User Network Interface) – для связи между пользовательскими системами или пользовательской системой и коммутатором и NNI (Network to Network Interface) – для связи между коммутаторами. Формат ячейки ATM показан ниже.

 

GFC	VPI	VCI	PTI	CLP	EC	DATA
4 бита	8 бит	16 бит	3 бита	1 бит	8 бит	48 байт

Рис. 16. Формат кадра АТМ

GFC (Generic flow control) – поле управления потоком;

VPI (Virtual path identifier) – идентификатор виртуального пути;

VCI (Virtual channel identifier) – идентификатор виртуального канала;

PTI (Payload type indicator) – индикатор типа передаваемых данных;

CLP (Cell loss priority) – поле приоритета ячейки (может ли ячейка быть отброшена при возникновении перегрузки в сети);

EC (header Error control) – контрольная сумма заголовка, позволяет исправить ошибку в одном бите заголовка (поле данных не контролируется).

Связь между двумя узлами осуществляется через виртуальное соединение. Виртуальные соединения бывают двух типов: постоянные (создаваемые администратором сети вручную и доступное в любое время) и коммутируемые (порождаемые автоматически по мере необходимости, а затем уничтожаемые). Виртуальное соединение позволяет передавать ячейки серез сеть достаточно быстро, без обработки в промежуточных узлах сети. Виртуальное соединение состоит из виртуального пути и виртуальных каналов. Виртуальный путь – этологическое соединение между двумя узлами сети, которое включает в себя множество каналов.

В сети ATM используется собственная система адресации, основанная на иерархических числовых адресах длиной 20 байт. Однако, эти адреса не передаются в каждой ячейке. После создания виртуального пути и каналов между узлами сети все остальные ачейки передаются коммутаторами сети АТМ с использованием идентификаторов пути и каналов.

Недостатками данной технологии являются: высокая стоимость, а также невозможность передачи широковещательных сообщений, что означает трудности в реализации сервисов, основанных на широковещательности. Поэтому эта технология применяется в основном вкорпоративных сетях, в которых необходимо передавать по одной сети данные, речь (например, внутренней АТС), видео (например, медицинские изображения) и т.п. Часто сети АТМ используют в сетях банков для подключения удаленных терминалов, банкоматов и т.п.

Технологии больших сетей (интерсетей)

Большие сети (интерсети - internet) представляют собой объединение нескольких территориально разнесенных локальных сетей, соединенных друг с другом машрутизаторами или шлюзами. Каждая локальная сеть (подсеть) может быть основана на своей технологии и в пределах этой подсети информация передается посредством этой технологии внутри кадров канального уровня. Маршрутизаторы соединяют эти локальные сети и обеспечивают передачу информации между сетями. Они работают на сетевом уровне и обеспечивают передачу пакетов сетевого уровня из одной сети в другую. Для этого необходимо иметь единую систему адресации в пределах всей интерсети. В каждой подсети существует своя система адресации (такие адреса называются локальными), но для обеспечения работы интерсети на сетевом уровне применяют собственную систему адресации, не связанную с локальной: все подсети, входящие в состав интерсети получают уникальные адреса, а все узлы внутри подсетей также нумеруются. Таким образом, каждый узел получает наряду с локальным адресом также сетевой адрес, состоящий из двух частей – адреса подсети и адреса узла внутри подсети.

Маршрутизация в интерсетях

Одной из задач сетевого уровня является маршрутизация - передача пакетов в составных сетях. Как указывалось выше, все сети, составляющие интерсеть связаны между собой маршрутизаторами. Причем, один маршрутизатор может соединять несколько сетей, а между разными сетями возможны несколько альтернативных путей следования пакетов (см. Рис. 17). Маршрутизаторы должны решать задачу маршрутизации - выбора пути следования пакета, так, чтобы он оптимальным образом дошел до узла назначения. При этом маршрутизатор может использовать различные критерии оптимизации (загрузка маршрута, пропускная способность маршрута, длина маршрута – количество транзитных маршрутизаторов и т.п.).

Каждый маршрутизатор подключен к нескольким сетям с помощью своих портов. В каждой сети маршрутизатор (а точнее его порт) имеют соответсвующий сетевой адрес и локальный адрес в этой сети. Таким образом, маршрутизатор имеет несколько сетевых адресов (по одному на каждый из своих портов).

Рис. 17. Пример интерсети

Существует два метода маршрутизации:

Одношаговая маршрутизация. Каждый маршрутизатор, через который проходит пакет, решает задачу его маршрутизации на один шаг, т.е. определяет в какую из подключенных к нему сетей направить пришедший пакет, чтобы в последствии (через N таких маршрутизаторов) этот пакет достиг сети назначения и в ней был передан на узел – получатель. Это основной тип маршрутизации.

Маршрутизация от источника. Маршрут следования пакета (последовательность маршрутизаторов) задается узлом, отправляющим пакеты и записывается в заголовке каждого из отправляемых пакетов. В этом случае маршрутизаторы не тратят время на расчет оптимального маршрута, а просто передают этот пакет следующему маршрутизатору в списке. Однако, для реализации такой схемы маршрутизации необходимо, чтобы узел-источник знал весь маршрут следования пакетов. Для этого первоначально в адрес узла-получателя посылается служебный пакет-«разведчик». Этот пакет маршрутизуется по одношаговому алгоритму. Но при этом в нем сохраняются адреса всех транзитных маршрутизаторов. После прихода пакета узел-получатель отправляет обратно список пройденных пакетом маршрутизаторов, который и используется для последующей маршрутизации остальных пакетов по алгоритму маршрутизации от источника. Этот способ эффективно использовать при передаче большого потока информации между узлами (например, потоковое видео).

Основной способ маршрутизации в настоящее время – одношаговая маршрутизация. В этом случае в заголовке пакета содержится адрес сети назначения и по этой информации маршрутизатор должен принять правильное решение о том, в какую из подключенных к нему сетей передать пришедший пакет. Для этого используется таблица маршрутизации, содержащая всю необходимую информацию. Ниже приведен пример таблицы для маршрутизатора М1, показанного на рис. В ней даны условные адреса сетей и узлов (далее будет рассмотрена реализация подобной таблицы для реальных сетевых протоколов).

Таблица 3. Пример таблицы маршрутизации

Адрес сети назначения	Адрес следующего маршрутизатора	Адрес выходного порта	метрика
S1	-	M1(1)
S2	-	M1(2)
S3	M2(1)	M1(1)
S4	M4(2)	M1(2)
default	M4(2)	M1(2)	-

В таблице маршрутизации в первом столбце перечислены адреса сетей интерсети (известных данному маршрутизатору). Для каждой из сетей указаны: сетевой адрес следующего маршрутизатора, сетевой адрес своего порта, через который нужно направить пакет для этой сети, а также – метрика данного маршрута («расстояние» до сети). В качестве простейшей метрики часто используется количество хопов (транзитных маршрутизаторов). Однако, в большой интерсети каждый маршрутизатор не обязан знать о всех сетях, включенных в интерсеть. Обычно в таблице маршрутизации находятся записи о сетях некоторой окрестности маршрутизатора, а также запись”default” – определяющая куда направлять пакеты для сетей, не указанных в таблице. Например, в данной таблице все пакеты в сеть S5 и другие сети (возможно подключенные дальше) будет передаваться маршрутизатором М1 на маршрутизатор М4 через свой порт М1(2), подключенный к сети S2.

При получении очередного пакета маршрутизатор извлекает из заголовка пакета информацию об адресе сети назначения и в своей таблице маршрутизации ищет запись об этой сети. По этой записи определяется на какой следующий маршрутизатор направить данный пакет и через какой собственный порт это сделать.

Аналогичная таблица имеется и на конечных узлах (компьютерах, подключенных к сети). Однако в ней обычно указывается только адрес маршрутизатора по умолчанию, на который и будут отправляться все исходящие пакеты.

Стек TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP в настоящее время является самым распространенным при построении интерсетей. В частности, на нем основана самая большая интерсеть – Интернет. Стек TCP/IP был разработан в начале 1970х годов для обеспечения работы сети ARPANET (Американской сети, объединяющей научные и военные центры). Однако, в скором времени эти протоколы были опубликованы и предоставлены в общее пользование. Широкое распространение эти протоколы получили потому, что их совершенствование и утверждение идет не по пути выработки и утверждений стандартов одной организацией (как, например стандарты IEEE), а по пути обсуждения и утверждения этих стандартов всеми заинтересованными пользователями Интернет. Сами стандарты разрабатываются организацией IEFT (Internet Engineering Task Force), выходят под названием RFC (Requests for Comments – предложения к обсуждению) и распространяются бесплатно (например по адресу http://www.ietf.org).

Стек TCP/IP разрабатывался раньше принятия модели OSI, и его архитектура делит все протоколы на четыре уровня, примерно соответствующие семи уровням модели OSI, как показано в таблице.

Таблица 4. Уровни стека TCP/IP

Стек TCP/IP	OSI
прикладной	WWW	SNMP	FTP	Telnet	SMTP	TFTP	Прикладной
представит.
транспортный	TCP	UDP	Сеансовый
Транспортный
межсетевого взаимодействия	IP	ICMP	RIP	OSPF	ARP	Сетевой
сетевых интерфейсов	Не определен (Ethernet, Tocken Ring, FDDI, X.25,…)	Канальный
Физический

Прикладной уровень объединяет все сервисы, предоставляемые пользовательским приложениям. Этот уровень реализуется программными средствами и содержит множество протоколов как давно разработанных, так и сравнительно молодых. Более подробно о сервисах Интернет изложено в разделе 5.3

Транспортный уровень (как и соответствующий уровень модели OSI) обеспечивает надежную передачу информации между любыми узлами интерсети. Он включает в себя два протокола:

· TCP (Transmission Control Protocol) – обеспечивает создание логического соединения между прикладными процессами, работающими на разных компьютерах, и контролирует корректность передачи информации в рамках каждого соединения.

· UDP (User Datagram Protocol) – обеспечивает передачу дейтаграмм (пакетов без подтверждения) и не контролирует корректность передачи информации.

Уровень межсетевого взаимодействия – обеспечивает передачу пакетов дейтаграммным способом (без подтверждения) в интерсети. Основной протокол этого уровня – IP (Internet Protocol) обеспечивает передачу пакетов в сложных составных сетях любых топологий. Этот протокол не гарантирует доставку пакетов. К этому же уровню относятся служебные протоколы, которые используют маршрутизаторы для модификации таблиц маршрутизации – RIP (Routing Internet Protocol), OSPF (Open Shortest Path First), протокол разрешения адресов ARP (Address Resolution Protocol), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol).

Уровень сетевых интерфейсов в протоколах TCP/IP не регламентируется, поскольку предполагается, что в интерсеть, основанную на стеке TCP/IP может быть интегрирована сеть с любой технологией. Поэтому для каждой технологии локальных сетей разрабатывается свой интерфейс – способ инкапсуляции (вложения) IP пакетов в кадры этой технологии. При появлении новых технологий локальных сетей для них также разрабатывают соответствующие интерфейсы.

Адресация в IP-сетях

В IP-сетях (сетях, основанных на стеке протоколов TCP/IP) используется несколько типов адресов: IP – адреса, локальные адреса и доменные адреса.

IP адреса

IP адреса являются основным типом адресов в IP - сетях. IP адрес имеет длину 32 бита и представляется в виде четырех 8-битных десятичных чисел, разделенных точками, например: 192.168.20.105. Причем, в адресе содержится как номер сети, так и номер узла в сети. Для определения какая часть IP адреса определяет номер сети, а какая – номер узла определено несколько классов IP адресов.

Таблица 5 Классы IP адресов

класс	байты адреса
№ сети	№ узла
A	0.......
	№ сети	№ узла
B	10......
	№ сети	№ узла
C	110.....
D		адрес группы multicast
E		зарезервировано

Кроме того существуют особые IP адреса, которые используются в служебных целях:

0.0.0.0 - все поля состоят из нулей - означает, что пакет адресуется самому себе;

0.х.х.х, 128.0.х.х, 192.0.0.х - поле номера сети состоит из 0 (для сетей различных классов) означает, что пакет адресуется в сеть, к которой принадлежит узел, сгенерировавший пакет (адресуется в свою сеть);

255.255.255.255 – все поля адреса состоят из двоичных 1 означает, что пакет предназначается всем узлам сети, в которой находится узел, сгенерировавший пакет;

х.255.255.255, х.х.255.255, х.х.х.255 – поле адреса узла состоит из двоичных 1 обозначает, что пакет предназначается всем узлам в сети с заданным номером (для сетей различных классов).

Кроме того, некоторые IP адреса специально зарезервированы для использования в локальных сетях и эти адреса не обрабатываются маршрутизаторами. Эти адреса выбраны из различных классов:

10.0.0.0 – сеть класса А;

172.16.0.0 – 172.31.0.0 – диапазон 16 сетей класса В;

192.168.0.0 – 192.168.255.0 – диапазон 255 сетей класса С.

В последнее время использование только трех классов адресов становится не совсем удобным. Для обеспечения более гибкого использования IP адресов используют маску IP адреса. Маска показывает, какая часть адреса является номером сети, а какая – номером узла. Для стандартных классов сетей маски имеют следующий вид.

Таблица 6

класс	маска	Значение
А	11111111.00000000.00000000.00000000	255.0.0.0
В	11111111.11111111.00000000.00000000	255.255.0.0
С	11111111.11111111.11111111.00000000	255.255.255.0

С помощью маски IP адрес может разбиваться на две части не по границе байтов. Например, маска 11111111.11111111.11100000.00000000 (255.255.224.0) для IP адреса 175.13.185.12 резервирует для адреса сети 12 бит и определяет номер сети 175.13.160.0, а номер узла 0.0.25.12.

В IP сетях важно обеспечить уникальность каждого IP адреса в рамках сети. В небольших интерсетях (состоящий из малого числа подсетей) адреса всех узлов могут быть назначены как в ручную (администратором сети), так и автоматически с помощью специального сервера DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol). Однако, в рамках такой сети как Интернет это сделать невозможно. В Интернет существует специальная организация, которая распределяет и регистрирует IP адреса сетей – IANA (Internet Assigned Numbers Authority). Этой организацией выдаются диапазоны адресов IP сетей крупным провайдерам Интернет, те в свою очередь – региональным провайдерам, а те – организациям – клиентам. За уникальностью IP адресов в рамках собственной сети следит администратор сети.

Сегодня развитие Интернет достигло такого состояния, что вскоре 32битная IP адресация не сможет обеспечивать нужды в подключении многих устройств (от компьютеров до сотовых телефонов). Поэтому в настоящее время разработана и вскоре вступит в силу версия 6 IP протокола, которая расширяет адресное пространство IP адресов с 32 разрядов до 128.

Локальные адреса в IP сетях

Локальными адресами являются адреса, принятые в технологии каждой из подсетей, входящих в интерсеть. В большинстве технологий локальных сетей в качестве таких адресов используются МАС адреса сетевых адаптеров. Эти адреса имеют длину 6 байтов и записываются в 16-ричной форме, например: 11-А0-17-09-3В-03. Эти адреса «прошиты» в сетевых адаптерах и являются уникальными. Однако, сам стек ТСР/IP не требует использования именно таких адресов. В случае, если в какой-то из сетей используется иной формат адреса (например, в сетях Х.25), этот адрес также будет являться локальным адресом.

Доменные адреса

Доменные адреса являются символьными адресами не фиксированного формата и используются для удобства человека. Доменная система имен имеет иерархическую структуру (наподобие древовидной структуры в файловой системе) с произвольной степенью вложенности. Однако, в отличии от пути к файлу, который начинается от корня и заканчивается именем самого файла, запись полного доменного имени (fully qualified domain name) начинается именем компьютера и заканчивается именем корневого домена (точкой). Например: www.gma.spb.ru. Совокупность имен, у которых часть составного имени совпадает называется доменом. Например, домен ru или домен spb.ru.

Уникальность доменных имен обеспечивается системой регистрации и ответственности на уровне домена. Так, каждое доменное имя компьютера или поддомена регистрируется в соответствующем домене. При этом администратор этого домена несет ответственность за уникальность имен в своем домене. В Интернет корневой домен управляется организацией InterNIC (Internet Network Information Center). В нем регистрируются домены верхнего уровня. Для доменом различных типов организаций используются трехбуквенные названия, для стран - двухбуквенные. Например:

com - коммерческие организации;

edu - образовательные организации;

gov - правительственные организации;

org - некоммерческие организации;

net - организации, поддерживающие сеть;

ru - Россия (также su);

nz - Новая зеландия;

jp - Япония и т.п.

В домене ru администрирование осуществляется организацией РосНИИРОС.