Тема 4.1 Функции сетевого и транспортного уровней

Принципы объединения сетей 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 составных сетях;

· выбор маршрута передачи пакетов, наилучшего по некоторому критерию;

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

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.

Основная идея введения сетевого уровня состоит в следующем. Сеть в общем случае рассматривается как совокупность нескольких сетей и называется составной сетью или интерсетью (internetwork или internet). Сети, входящие в составную сеть, называются подсетями (subnet), составляющими сетями или просто сетями

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.

Протоколы и стеки протоколов

Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации межсетевого взаимодействия, называется стеком протоколов. Для каждого уровня определяется набор функций–запросов для взаимодействия с выше лежащим уровнем, который называется интерфейсом. Правила взаимодействия двух машин могут быть описаны в виде набора процедур для каждого из уровней, которые называются протоколами.

Существует достаточно много стеков протоколов, широко применяемых в сетях. Это и стеки, являющиеся международными и национальными стандартами, и фирменные стеки, получившие распространение благодаря распространенности оборудования той или иной фирмы. Примерами популярных стеков протоколов могут служить стек IPX/SPX фирмы Novell, стек TCP/IP, используемый в сети Internet и во многих сетях на основе операционной системы UNIX, стек OSI международной организации по стандартизации, стек DECnet корпорации Digital Equipment и некоторые другие.

Стеки протоколов разбиваются на три уровня:

- сетевые;

- транспортные.

Сетевые протоколы

Сетевые протоколы предоставляют следующие услуги: адресацию и маршрутизацию информации, проверку на наличие ошибок, запрос повторной передачи и установление правил взаимодействия в конкретной сетевой среде.

Ниже приведены наиболее популярные сетевые протоколы.

- DDP (Datagram Delivery Protocol – Протокол доставки дейтаграмм). Протокол

передачи данных Apple, используемый в Apple Talk.

- IP (Internet Protocol – Протокол Internet). Протокол стека TCP/IP,

обеспечивающий адресную информацию и информацию о маршрутизации.

- IPX (Internetwork Packet eXchange – Межсетевой обмен пакетами) в NWLink.

Протокол Novel NetWare, используемый для маршрутизации и направления

пакетов.

- NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface – расширенный пользовательский

интерфейс базовой сетевой системы ввода вывода). Разработанный совместно

IBM и Microsoft, этот протокол обеспечивает транспортные услуги для

NetBIOS.

Транспортные протоколы

Транспортные протоколы предоставляют следующие услуги надежной транспортировки данных между компьютерами. Ниже приведены наиболее популярные транспортные протоколы.

- ATP (Apple Talk Protocol – Транзакционный протокол Apple Talk) и NBP

(Name Binding Protocol – Протокол связывания имен). Сеансовый и

транспортный протоколы Apple Talk.

- NetBIOS (Базовая сетевая система ввода вывода). NetBIOS Устанавливает

соединение между компьютерами, а NetBEUI предоставляет услуги передачи

данных для этого соединения.

- SPX (Sequenced Packet eXchange – Последовательный обмен пакетами) в

NWLink. Протокол Novel NetWare, используемый для обеспечения доставки

данных.

- TCP (Transmission Control Protocol – Протокол управления передачей).

Протокол стека TCP/IP, отвечающий за надежную доставку данных.

На сетевом уровне реализованы протоколы, как без установления соединений, так и с установлением соединений.

Архитектура стека протоколов Microsoft TCP/IP

Набор многоуровневых протоколов, или как называют стек TCP/IP, предназначен для использования в различных вариантах сетевого окружения. Стек TCP/IP с точки зрения системной архитектуры соответствует эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection – взаимодействие открытых систем) и позволяет обмениваться данными по сети приложениям и службам, работающим практически на любой платформе, включая Unix, Windows, Macintosh и другие.

Уровень транспорта TCP/IP отвечает за установления и поддержания соединения между двумя узлами. Основные функции уровня:

- подтверждение получения информации4

- управление потоком данных;

- упорядочение и ретрансляция пакетов.

В зависимости от типа службы могут быть использованы два протокола:

- TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей);

- UDP (User Datagram Protocol – пользовательский протокол дейтаграмм).

TCP обычно используют в тех случаях, когда приложению требуется передать большой объем информации и убедиться, что данные своевременно получены адресатом. Приложения и службы, отправляющие небольшие объемы данных и не нуждающиеся в получении подтверждения, используют протокол UDP, который является протоколом без установления соединения.

Протокол управления передачей (TCP)

Протокол TCP отвечает за надежную передачу данных от одного узла сети к другому. Он создает сеанс с установлением соединения, иначе говоря виртуальный канал между машинами. Установление соединения происходит в три шага:

1. Клиент, запрашивающий соединение, отправляет серверу пакет, указывающий номер порта, который клиент желает использовать, а также код (определенное число) ISN (Initial Sequence number).

2. Сервер отвечает пакетом, содержащий ISN сервера, а также ISN клиента, увеличенный на 1.

3. Клиент должен подтвердить установление соединения, вернув ISN сервера, увеличенный на 1.

Трехступенчатое открытие соединения устанавливает номер порта, а также ISN клиента и сервера. Каждый, отправляемый TCP – пакет содержит номера TCP – портов отправителя и получателя, номер фрагмента для сообщений, разбитых на меньшие части, а также контрольную сумму, позволяющую убедиться, что при передачи не произошло ошибок.

Пользовательский протокол дейтаграмм (UDP)

В отличие от TCP UDP не устанавливает соединения. Протокол UDP предназначен для отправки небольших объемов данных без установки соединения и используется приложениями, которые не нуждаются в подтверждении адресатом их получения. UDP также использует номера портов для определения конкретного процесса по указанному IP адресу. Однако UDP порты отличаются от TCP портов и, следовательно, могут использовать те же номера портов, что и TCP, без конфликта между службами.

Межсетевой уровень отвечает за маршрутизацию данных внутри сети и между различными сетями. На этом уровне работают маршрутизаторы, которые зависят от используемого протокола и используются для отправки пакетов из одной сети (или ее сегмента) в другую (или другой сегмент сети). В стеке TCP/IP на этом уровне используется протокол IP.

Протокол Интернета IP

Протокол IP обеспечивает обмен дейтаграммами между узлами сети и является протоколом, не устанавливающим соединения и использующим дейтаграммы для отправки данных из одной сети в другую. Данный протокол не ожидает получение подтверждения (ASK, Acknowledgment) отправленных пакетов от узла адресата. Подтверждения, а также повторные отправки пакетов осуществляется протоколами и процессами, работающими на верхних уровнях модели.

К его функциям относится фрагментация дейтаграмм и межсетевая адресация. Протокол IP предоставляет управляющую информацию для сборки фрагментированных дейтаграмм. Главной функцией протокола является межсетевая и глобальная адресация. В зависимости от размера сети, по которой будет маршрутизироваться дейтаграмма или пакет, применяется одна из трех схем адресации.

Функции транспортного уровня реализуются в конечных узлах. К ним относятся:

· разделение пакета на дейтаграммы, если сеть работает без установления соединения;

· сборка сообщений из дейтаграмм в узле-получателе;

· обеспечение заданного уровня услуг, включающих заказ времени доставки, типа канала связи, возможности сжатия данных с частичной потерей информации (как, например в алгоритме JPEG);

· управление сквозными соединениями в сети с помощью специальных команд запроса соединения, разъединения, передачи, приема, регистрации и др.

Назначение сетевых протоколов - приспособление пакетов к особенностям промежуточных сетей и выбор направления передачи пакетов (маршрутизация). В список основных функций входят:

· формирование пакетов с учетом требований промежуточных сетей (дополнение пакетов транспортного уровня обрамлением, включающим флаги, сетевые адреса получателя и отправителя, служебную информацию);

· управление потоками;

· маршрутизация;

· обнаружение неисправностей;

· ликвидация "заблудившихся" дейтаграмм и т.п.

Управление потоками данных в сетях. Это одна из функций сетевого уровня, включающая управление нагрузками и борьбу с блокировками. Различают несколько уровней управления.

Межузловое управление связано с распределением буферной памяти в промежуточных узлах (выделением каждому направлению определенного числа буферов), сводящееся к ограничению длин канальных очередей.

Управление "вход-выход " направлено на предотвращение блокировок. Реализуется указанием в первом пакете сообщения его длины, что позволяет приемному узлу прогнозировать заполнение памяти и запрещать прием дейтаграмм определенных сообщений, если прогнозируется блокировка памяти.

Управление внешними потоками (доступом) реализуется путем предоставления приоритета в передаче внутренним потокам перед внешними, ограничением числа пакетов в сети (пакет принимается, если у узла есть соответствующее разрешение), посылкой предупредительных пакетов-заглушек в адрес источника, от которого идут пакеты в перегруженную линию связи.

 

Тема 4.2 Маршрутизация

Маршрутизация – процесс выбора маршрута следования пакета.

Маршрутизатор – устройство, которое выполняет это действие R.

R работает на третьем уровне OSI. Для выбора маршрута следования пакета используется лишь адрес сети, а адрес хоста отбрасывается.

Чтобы выделить из IP-адреса адрес сети применяется маска.

Маршрут – это направление следования пакета.

Определить маршрут – значит выбрать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату. Определение маршрута – сложная задача, особенно когда конфигурация сети такова, что между парой взаимодействующих сетевых интерфейсов существует множество путей. Чаще всего выбор останавливают на одном оптимальном по некоторому критерию маршруте. В качестве критериев оптимальности могут выступать, например, номинальная пропускная способность и загруженность каналов связи; задержки, вносимые каналами; количество промежуточных транзитных узлов; надежность каналов и транзитных узлов

Каждый маршрутизатор может сказать на какой интерфейс или какому следующему маршрутизатору отправить пакет,задав направление движения.

Собрав последовательно эти направления, мы получим вест путь следования. Решение о выборе маршрутизатора применяют согласно их таблицам маршрутизации.

Эта таблица содержит соответствие адреса сети к маршруту. Имея таблицу маршрутизации, нам нужно выбрать наилучший маршрут. Выбор происходит в несколько этапов.

Административная дистанция (АД)- степень доверия источнику.

Метрика- качество маршрута (чем меньше значение, тем лучше маршрут).

Может случиться такая ситуация, что лучших маршрутов оказалось несколько. В таком случае нет четких указаний, что делать.

Маршрутизаторы Сisco производят распределение нагрузки между этими маршрутами, чередуя пакеты.

Часто можно встретить отсутствие сети назначения в таблице, но зато присутствует сеть, покрывающая ее (надсеть). Если надсеть содержит в себе диапазоны адресов нужной нам сети, то там же находится и получатель. По этому признаку можно заменить несколько подсетей одной надсетью, но лишь в том случае, если у них одинаковые маршруты.

Различают два вида маршрутизации:

· Статическая;

· Динамическая.

При статической маршрутизации маршруты вводятся администратором вручную на каждом маршрутизаторе и не изменяются во время работы. При поднятии сетевого интерфейса и настройке на нем протокола сетевого уровня, в таблицу маршрутизации автоматически заносится маршрут на сеть, в которой находится этот интерфейс. Такие сети, в которых находится маршрутизатор, называются напрямую соединенными. А маршруты на них задаются только выходным интерфейсом и являются наиболее приоритетными. Остальные маршруты задаются адресом следующего маршрутизатора. Таким образом пакет будет проходить маршрутизаторы, пока не дойдет до того, у которого есть напрямую соединенная сеть назначения.

Динамическая маршрутизация совершается за счет динамических протоколов маршрутизации. При их помощи маршрутизатор строит и обновляет свою таблицу маршрутизации. Говорят, что сеть сошлась, когда с любого маршрутизатора можно попасть в любую сеть.

Динамические протоколы маршрутизации делятся на внешние и внутренние. А внутренние в свою очередь на дистанционно-векторные протоколы и протоколы link state (состояния канала).

Внутренние протоколы используются в сетях разного объема для автоматизации и надежности процесса маршрутизации. Внешние протоколы используются для работы между автономными системами, т.е. в очень больших сетях, таких как Internet.

Разница между дистанционно-векторными протоколами и протоколами состояния канала довольно существенна. Link state протоколы появились позже, когда классовые сети отошли в прошлое. Их основным принципом является хранение состояния всех каналов сети. Они строят некую карту сети и самостоятельно определяют наилучшие маршруты. Отличительной чертой также есть отправка обновлений лишь при изменении топологии и лишь тем маршрутизаторам, которым будет актуальна информация.

Дистанционно-векторные протоколы требуют правильной и совместной работы всех маршрутизаторов, так как они оперируют с направлением и метрикой, которую получают от соседних маршрутизаторов. Таким образом, получив маршрут, маршрутизатор увеличивает его метрику и отправляет его другим соседям. Из этого и следует название протоколов - дистанция (метрика) и вектор (направление). Среди представителей можно выделить протокол EIGRP, который имеет ряд преимуществ и некоторые сходства с протоколами состояния канала.

Среди внешних протоколов маршрутизации можно отметить протокол BGP, на котором держится Internet. Он является протоколом path state (состояния пути). Это значит что он оперирует с лучшими путями, которые задаются списком автономных систем (AS), через которые должен пройти пакет. Как правило, количество AS в пути не велико и лучше считается тот путь, что содержит меньшее количество AS. Для гарантии того, чтобы какой-то маршрут был запасным, придаются хитрости и повторяют несколько раз номер своей AS в пути, увеличивая тем самым длину. Когда же пакет достигает нужной AS, вступает в силу внутренняя маршрутизация.

Маршрутизатор является ключевым звеном любой составной сети. Они решают две основные задачи:

- находят наилучший маршрут;

- отправляют пакет по этому маршруту.

Маршрутизация сделала возможным объединение отдельных сетей в одну глобальную сеть. Существует три принципа маршрутизиции:

1). Каждый маршрутизатор принимает решение самостоятельно, не оговариваясь откуда получена информация о маршрутах;

2). Если один маршрутизатор имеет полную таблицу маршрутизации, то это не значит что и в остальных она полная.

3). Существование маршрута в одну сторону не гарантирует существование обратного маршрута.

Таблица маршрутизации — таблица, состоящая из сетевых маршрутов и предназначенная для определения наилучшего пути передачи сетевого пакета. Каждая запись в таблице маршрутизации состоит, как правило, из таких полей:

§ адрес сети назначения (destination);

§ маска сети назначения (netmask, genmask);

§ адрес шлюза (gateway), за исключением тех случаев, когда описывается в маршрут непосредственно доступную (directly connected) сеть, в этом случае вместо адреса шлюза обычно указываются 0.0.0.0;

§ метрика маршрута (не всегда).