Вычислительные сети (стр. 3 )

В случае коллизии передача кадров прекращается всеми станциями путем подачи сигнала "заглушка" (отключение канала). После конфликта все станции реализуют усеченный двоичный экспоненциальный алгоритм отсрочки - ждут определенное время, кратное 51.2 мкс. Максимальное время задержки - 65 мс. Т. о. в сетях со случайным доступом время доставки кадра не может быть определено точно.

Составляющие кадра: 1) Преамбула - 8 октет (1 октет = 8 бит). 2) Заголовок - 14 октет. 3) Данные - min 46 октет. 4) Контрольный код - 4 октет. Т. е. минимальная длина кадра получается 576 бит.

Структура кадров, которые используются в ЛВС большинства фирм: Физический кадр: преамбула 8 байт, кадр, межкадровый интервал 12 байт (это "хвостовик"). Кадр: адрес приемника 6 байт, адрес источника 6 байт, тип кадра 2 байта, данные 46-1500 байт (так называемый межсетевой пакет), контрольный код 4 байта.

2) CSMA/CD - Collision Detection (обнаружение коллизий - столкновений, наложений пакетов). При наложении пакетов друг на друга они искажаются, поэтому нужна повторная передача (это обеспечивает сетевая карта). Станция, получившая сигнал о столкновении, выжидает некоторый timeout, а затем передает снова. При CSMA/CD перед передачей канал прослушивается - свободен ли он для передачи. Но и здесь возможны столкновения пакетов, т. к. две станции могут одновременно начать передавать. Чем интенсивнее траффик, тем больше вероятность столкновений. При CSMA/CD использование пропускной способности канала - до 90%.

Достоинства: а) Независимое существование абонентских систем (т. е. независимое порождение пакетов и их передача). б) Высокая надежность работы сети (т. к. нет центрального супервизора). в) Возможность включения новых станций в работающую сеть без ее остановки.

Недостатки: а) Неопределенность времени доставки информации от источника к приемнику (т. к. возможны столкновения пакетов). б) Неполное использование пропускной способности среды соединения (если частые столкновения пакетов - то канал используется неэффективно). в) Снижение пропускной способности при увеличении расстояния между станциями и увеличении нагрузки на канал связи. г) Нет приоритетного обслуживания (хотя это можно считать и достоинством).

24. Технология Token Ring.

Сеть TokenRing как и другие характеризуется разделяемой средой.

TokenRing состоит из узлов, соединенных отрезком физической среды, которые соединены в кольцо.

Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс и для доступа к нему требуется не случайный алгоритм как в Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станции права доступа.

Это право передается с помощью кадра специального формата, названного маркером (Tiken). Эта технология разработана IBM и на сегодняшний день – основная сетевая технология этой компании.

Сети TokenRing – 4/16Мбит/с. Смешивание станций, работающих в разных режимах недопустимо Технология TokenRing - более сложная, она обладает свойством отказоустойчивости. В этой технологии определены процедуры, которые используют обратную связь кольцевой структуры. Отправленный в кольцо кадр всегда возвращается к отправителю. В некоторых случаях ошибки исправляются автоматически (потеря маркера). В других – ошибки только фиксируются, а исправляются – вручную обслуживающим персоналом.

Для выполнения функций контроля одна из станций должна выполнять роль активного монитора. Активный монитор выбирается во время инициализации – узел с наибольшим значением MAC-адреса.

Если активный монитор выходит из строя – процедура инициализации кольца повторяется и выбирается новый активный монитор.

Для того чтобы сеть могла быстро обнаружить неисправность активного монитора, он каждые 3 секунды генерирует специальный кадр (кадр присутствия). Если этот кадр не появился в сети более 7 секунд, то остальные станции начинают процедуру инициализации нового активного монитора.

Работа маркерного доступа

В сетях с маркерным доступом право доступа к среде передается циклически от станции к станции по кольцу. Поэтому каждая станция физически может передать информацию только своим соседям. Направление передачи – только в одну сторону. Получив маркер станция анализирует его и если у нее данные для передачи отсутствуют, то она обеспечивает продвижение маркера к следующей станции.

Станция, которая имеет данные для передачи, изымает его из кольца что дает ей право доступа к среде и передает свои данные.

Станция выдает в канал набор установленного формата последовательно по битам.

Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении.

Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника.

Время владения станцией разделяемой средой ограничено временем удержания(обычно 10 мсек) , по истечении которого станция обязана прекратить передачу. (разрешается завершить передачу текущего кадра). Для различных видов сообщений, передаваемых кадром назначены свои приоритеты (0-7). Маркер имеет уровень текущего приоритета. Станция имеет право передавать кадр только тогда, когда приоритет не меньше приоритета маркера.

В сети TokenRing существует 3 различных формата кадров:

Маркер Кадр данных Прерывающая последовательность

Стандарты TokenRing предусматривают построение сети с помощью концентраторов. Сеть TokenRing может включать 260 узлов. Максимальная длина сегмента 4000м

Ограничения на максимальную длину кольца и количество станций не такие жесткие как в Ethernet

Все ограничения связаны со временем оборота маркера.

Если предположить, что в кольце 260 станций, время удержания 10мс, то маркер вернется к активному монитору максимум за 0,26с. Время удержания сетевых адаптеров можно настраивать.

Сеть TokenRing можно строить на основе нескольких колец, разделенных мостами.

В этом случае необходимо добавить поле в кадр, где бы указывался маршрут прохождения колец.

25. Технология FDDI.

FDDI – это первая технология, в которой в качестве передачи используется оптоволокно. Обеспечивается скорость передачи 100Мбит/с

Технология FDDI основывается на технологии TokenRing. Задачи, которые должна решать FDDI:

1)  повысить битовую скорость передачи до 100мбит/с

2)  повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления после отказов

3)  повысить эффективность при испытании пропускной способности как для асинхронного, так и для синхронного режима

FDDI строится на основе 2 оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных.

Наличие 2 колец является основным способом повышения отказоустойчивости.

Все узлы сети должны быть одновременно подключены к 2 кольцам. В нормальном режиме работы данные проходят ч/з одно кольцо. Второе – «отдыхает». Данные по кольцам передаются в одну сторону.

в случае неисправности происходит связывание двух колец (свертывание) – эту процедуру проводит концентратор/сетевой адаптер.

В классическом стандарте FDDI выполняет очень сильные требования отказоустойчивости. Для определения момента отказа закладываются процедуры реконфигурации.

В этой сети оба кольца рассматриваются как единая разделяемая физическая среда.

Используется маркерный способ доступа как в TokenRing, этот метод называется «методом маркерного кольца».

В данном случае время удержания маркера в сети не является фиксированной величиной. Время удержания меняется от 0 до максимума.

Это касается только асинхронного трафика, а при синхронном время удержания остается постоянным, также как и в TokenRing

26. Построение локальных сетей по стандартам физического и канального уровней.

Кабельная система является фундаментом любой сети.

Структурированная кабельная система является фундаментом любой сети. Структурная кабельная система представляет своего рода конструктор, с помощью которого проектировщик строит нужную ему конфигурацию.

Она представляет собой набор коммутационных элементов (кабели, разъемы, коннекторы и т. д.), которые позволяют создавать регулярные структуры (типовые топологии) связи в локальных сетях.

Основой состав сети:

Прокладка сети (кабели) Концентраторы и сетевые адаптеры

Концентраторы, сетевые адаптеры и кабельная система представляет тот минимум оборудования, с помощью которого можно построить локальные сети. Такая сеть может представлять собой общую разделяемую среду.

Такая сеть не может быть большой, т. к. при большом количестве узлов общая разделяемая среда быстро становится «узким местом», - производительность сети существенно снижается.

Вывод: концентраторы и сетевые адаптеры позволяют строить базовые фрагменты сети, которые должны объединяться между собой с помощью мостов, коммутаторов и/или маршрутизаторов.

Сетевой адаптер своим драйвером реализует второй канальный уровень систем в модели OSI. В сетевой ОС «пара» адаптер-драйвер выполняет только функции физического уровня и подуровня.

А уровень логической передачи канального уровня реализуется модулем ОС, причем единым для всех адаптеров и драйверов.

Сетевой адаптер занимается только передачей данных.

Функции, выполняемые адаптером и драйвером стандартами не оговариваются, каждый производитель решает этот вопрос самостоятельно.

Обычно разделяют адаптеры для сервера и клиента.

Клиентский берет на себя часть работы пор организации приема/передачи переключается на драйверы, что приводит к тому, что CPU занимается работой по передаче кадра.

Серверный – с собственным CPU, выполняющим большую работу по передаче кадра из ОП в сеть.

Адаптер в зависимости от технологии подразделяется на FDDI и Ethernet-адаптер, и др.

За короткое время сменились 3 поколения адаптеров. Сегодняшнее поколение - №4. – MAC-уровень и его функции, и выполняют ряд высокоуровневых функций: - схема приоретизации, - дистанцирование кадров, - поддержка агента удаленного мониторинга.

27. Мосты и коммутаторы.

Мост соединяет два сегмента сети, при инициализации он изучает списки адресов устройств, подсоединенных к каждому из сегментов. В дальнейшем мост записывает в свою память эти списки и пропускает из сегмента в сегмент лишь транзитные пакеты. Существуют мосты, которые оперируют с физическими и с IP-адресами (cм. стандарт IEEE 802.1d).

Рис. 4.1.1.4.2. Схема сетевого моста

Мост является активным устройством, которое способно адаптироваться к изменениям в окружающей сетевой среде. При этом пакеты, отправленные из сегмента А и адресованные устройству, которое подключено к этому же сегменту, никогда не попадут в сегмент Б и наоборот. Через мост проходят лишь пакета, отправленные из сети А в Б или из Б в А.

Функцию моста с определенными скоростными ограничениями может выполнять и обычная ЭВМ, имеющая два сетевых интерфейса и соответствующее программное обеспечение. Мосты при разумном перераспределении серверов и рабочих станций по сетевым сегментам позволяют выровнять и даже эффективно снизить среднюю сетевую загрузку. Когда на один из входов моста приходит пакет, производится сравнение адреса получателя с содержимым внутренней базы данных. Если адрес в базе данных отсутствует, мост посылает широковещательный запрос в порт, противоположный тому, откуда получен данный пакет с целью выяснения местоположения адресата. Понятно, что появление в субсетях a и Б двух объектов с идентичными адресами ни к чему хорошему не приведет. При поступлении отклика вносится соответствующая запись в базу данных. Параллельно анализируется и адрес отправителя и, если этот адрес в базе данных отсутствует, производится его запись в банк адресов соответствующего порта. В базу данных записывается также время записи адреса в базу данных. Содержимое базы данных периодически обновляется. К любой подсети может вести несколько путей, но для нормальной работы мостов и переключателей все пути кроме одного должны быть заблокированы. Функциональная схема работы моста показана на рис. 4.1.1.4.3. Сети, между которыми включается мост, не обязательно должны работать согласно идентичным протоколам. Возможны мосты между Ethernet и Token Ring или между Ethernet и ATM.

Несмотря на появление новых дополнительных возможностей основной функцией концентраторов остается передача пакетов по общей разделяемой среде. Коллективное использование многими компьютерами общей кабельной системы в режиме разделения времени приводит к существенному снижению производительности сети при интенсивном трафике. Общая среда перестает справляться с потоком передаваемых кадров и в сети возникает очередь компьютеров, ожидающих доступа. Это явление характерно для всех технологий, использующих разделяемые среды передачи данных, независимо от используемых алгоритмов доступа (хотя наиболее страдают от перегрузок трафика сети Ethernet с методом случайного доступа к среде).

Поэтому сети, построенные на основе концентраторов, не могут расширяться в требуемых пределах - при определенном количестве компьютеров в сети или при появлении новых приложений всегда происходит насыщение передающей среды, и задержки в ее работе становятся недопустимыми. Эта проблема может быть решена путем логической структуризации сети с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов.

Мост (bridge), а также его быстродействующий функциональный аналог - коммутатор (switching hub), делит общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов (отрезков кабеля) с помощью одного или нескольких концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту моста/коммутатора (рис. 1.10). При поступлении кадра на какой-либо из портов мост/коммутатор повторяет этот кадр, но не на всех портах, как это делает концентратор, а только на том порту, к которому подключен сегмент, содержащий компьютер-адресат.

Разница между мостом и коммутатором состоит в том, что мост в каждый момент времени может осуществлять передачу кадров только между одной парой портов, а коммутатор одновременно поддерживает потоки данных между всеми своими портами. Другими словами, мост передает кадры последовательно, а коммутатор параллельно. (Для упрощения изложения далее в этом разделе будет использоваться термин "коммутатор" для обозначения этих обоих разновидностей устройств, поскольку все сказанное ниже в равной степени относится и к мостам, и к коммутаторам.) Следует отметить, что в последнее время локальные мосты полностью вытеснены коммутаторами. Мосты используются только для связи локальных сетей с глобальными, то есть как средства удаленного доступа, поскольку в этом случае необходимость в параллельной передаче между несколькими парами портов просто не возникает.

28. Концентраторы и сетевые адаптеры.

Для построения простейшей односегментной сети достаточно иметь сетевые адаптеры и кабель подходящего типа. Но даже в этом простом случае часто используются дополнительные устройства - повторители сигналов, позволяющие преодолеть ограничения на максимальную длину кабельного сегмента.

Основная функция повторителя (repeater), как это следует из его названия - повторение сигналов, поступающих на один из его портов, на всех остальных портах (Ethernet) или на следующем в логическом кольце порте (Token Ring, FDDI) синхронно с сигналами-оригиналами. Повторитель улучшает электрические характеристики сигналов и их синхронность, и за счет этого появляется возможность увеличивать общую длину кабеля между самыми удаленными в сети станциями.

Многопортовый повторитель часто называют концентратором (hub, concentrator), что отражает тот факт, что данное устройство реализует не только функцию повторения сигналов, но и концентрирует в одном центральном устройстве функции объединения компьютеров в сеть. Практически во всех современных сетевых стандартах концентратор является необходимым элементом сети, соединяющим отдельные компьютеры в сеть.

Появление устройств, централизующих соединения между отдельными сетевыми устройствами, потенциально позволяет улучшить управляемость сети и ее эксплуатационные характеристики (модифицируемость, ремонтопригодность и т. п.). С этой целью разработчики концентраторов часто встраивают в свои устройства, кроме основной функции повторителя, ряд вспомогательных функций, весьма полезных для улучшения качества сети.

Различные производители концентраторов реализуют в своих устройствах различные наборы вспомогательных функций, но наиболее часто встречаются следующие:

Объединение сегментов с различными физическими средами (например, коаксиал, витая пара и оптоволокно) в единый логический сегмент. Автосегментация портов - автоматическое отключение порта при его некорректном поведении (повреждение кабеля, интенсивная генерация пакетов ошибочной длины и т. п.). Поддержка между концентраторами резервных связей, которые используются при отказе основных. Защита передаваемых по сети данных от несанкционированного доступа (например, путем искажения поля данных в кадрах, повторяемых на портах, не содержащих компьютера с адресом назначения). Поддержка средств управления сетями - протокола SNMP, баз управляющей информации MIB.

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) - это периферийное устройство компьютера, непосредственно взаимодействующее со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами. Это устройство решает задачи надежного обмена двоичными данными, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, по внешним линиям связи. Как и любой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением драйвера операционной системы и распределение функций между сетевым адаптером и драйвером может изменяться от реализации к реализации.

В первых локальных сетях сетевой адаптер с сегментом коаксиального кабеля представлял собой весь спектр коммуникационного оборудования, с помощью которого организовывалось взаимодействие компьютеров. Сетевой адаптер компьютера-отправи-теля непосредственно по кабелю взаимодействовал с сетевым адаптером компьютера-получателя. В большинстве современных стандартов для локальных сетей предполагается, что между сетевыми адаптерами взаимодействующих компьютеров устанавливается специальное коммуникационное устройство (концентратор, мост, коммутатор или маршрутизатор), которое берет на себя некоторые функции по управлению потоком данных.

Сетевой адаптер обычно выполняет следующие функции:

Оформление передаваемой информации в виде кадра определенного формата. Кадр включает несколько служебных полей, среди которых имеется адрес компьютера назначения и контрольная сумма кадра, по которой сетевой адаптер станции назначения делает вывод о корректности доставленной по сети информации. Получение доступа к среде передачи данных. В локальных сетях в основном применяются разделяемые между группой компьютеров каналы связи (общая шина, кольцо), доступ к которым предоставляется по специальному алгоритму (наиболее часто применяются метод случайного доступа или метод с передачей маркера доступа по кольцу). В последних стандартах и технологиях локальных сетей наметился переход от использования разделяемой среды передачи данных к использованию индивидуальных каналов связей компьютера с коммуникационными устройствами сети, как это всегда делалось в телефонных сетях, где телефонный аппарат связан с коммутатором АТС индивидуальной линией связи. Технологиями, использующими индивидуальные линии связи, являются 100VG-AnyLAN, ATM и коммутирующие модификации традиционных технологий - switching Ethernet, switching Token Ring и switching FDDI. При использовании индивидуальных линий связи в функции сетевого адаптера часто входит установление соединения с коммутатором сети. Кодирование последовательности бит кадра последовательностью электрических сигналов при передаче данных и декодирование при их приеме. Кодирование должно обеспечить передачу исходной информацию по линиям связи с определенной полосой пропускания и определенным уровнем помех таким образом, чтобы принимающая сторона смогла распознать с высокой степенью вероятности посланную информацию. Так как в локальных сетях используются широкополосные кабели, то сетевые адаптеры не используют модуляцию сигнала, необходимую для передачи дискретной информации по узкополосным линиям связи (например, телефонным каналам тональной частоты), а передают данные с помощью импульсных сигналов. Представление же двоичных 1 и 0 может быть различным. Преобразование информации из параллельной формы в последовательную и обратно. Эта операция связана с тем, что для упрощения проблемы синхронизации сигналов и удешевления линий связи в вычислительных сетях информация передается в последовательной форме, бит за битом, а не побайтно, как внутри компьютера. Синхронизация битов, байтов и кадров. Для устойчивого приема передаваемой информации необходимо поддержание постоянного синхронизма приемника и передатчика информации. Сетевой адаптер использует для решения этой задачи специальные методы кодирования, не использующие дополнительной шины с тактовыми синхросигналами. Эти методы обеспечивают периодическое изменение состояния передаваемого сигнала, которое используется тактовым генератором приемника для подстройки синхронизма. Кроме синхронизации на уровне битов, сетевой адаптер решает задачу синхронизации и на уровне байтов, и на уровне кадров.

Сетевые адаптеры различаются по типу и разрядности используемой в компьютере внутренней шины данных - ISA, EISA, PCI, MCA.

Сетевые адаптеры различаются также по типу принятой в сети сетевой технологии - Ethernet, Token Ring, FDDI и т. п. Как правило, конкретная модель сетевого адаптера работает по определенной сетевой технологии (например, Ethernet). В связи с тем, что для каждой технологии сейчас имеется возможность использования различных сред передачи данных (тот же Ethernet поддерживает коаксиальный кабель, неэкранированную витую пару и оптоволоконный кабель), сетевой адаптер может поддерживать как одну, так и одновременно несколько сред. В случае, когда сетевой адаптер поддерживает только одну среду передачи данных, а необходимо использовать другую, применяются трансиверы и конверторы.

Трансивер (приемопередатчик, transmitter+receiver) - это часть сетевого адаптера, его оконечное устройство, выходящее на кабель. В первом стандарте Ethernet, работающем на толстом коаксиале, трансивер располагался непосредственно на кабеле и связывался с остальной частью адаптера, располагавшейся внутри компьютера, с помощью интерфейса AUI (attachment unit interface). В других вариантах Ethernet'а оказалось удобным выпускать сетевые адаптеры (да и другие коммуникационные устройства) с портом AUI, к которому можно присоединить трансивер для требуемой среды.

Вместо подбора подходящего трансивера можно использовать конвертор, который может согласовать выход приемопередатчика, предназначенного для одной среды, с другой средой передачи данных (например, выход на витую пару преобразуется в выход на коаксиальный кабель).

29. Маршрутизация. Маршрутизаторы.

Устройства для прокладки маршрутов называют маршрутизаторами. Маршрутизатор имеет несколько портов, к которым подключаются сети. Маршрутизатор можно рассматривать как совокупность узлов, каждый из которых входит в свою сеть. Как устройства маршрутизаторы не имеют локального адреса. Маршрут представляет собой последовательность маршрутов, которые должен пройти пакет от станции назначения к станции получателю. Задачу выбора маршрута решает маршрутизатор. Маршрут выбирается по критериям на основании информации, которая имеется у маршрутизатора.

Эта информация – таблицы маршрутизации. Они расположены также и в конечных узлах сети. Основная работа по созданию таблиц маршрутизации выполняется автоматически – маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии составной сети в соответствии со стандартами специального служебного протокола. Протокол этого типа называется протоколом маршрутизации. Он передает только служебную информацию, передачу которой инициирует маршрутизатор. Обычно кроме служебной информации сообщаются и данные о пропускной способности сети и ее состоянии. Такой набор данных позволяет маршрутизатору быстро адаптироваться к изменениям конфигурации сети.

Протоколы маршрутизации могут быть построены на основании разных алгоритмы, отличающихся: - способом построения таблиц маршрутизации, - способом выбора рационального пути.

Существует 2 подхода к выбору рационального пути:

1)  выбирается только ближайший маршрутизатор – одношаговый подход

2)  многошаговый подход – маршрутизация от источника.

В этом случае задается полный маршрут пакета включая промежуточные маршрутизаторы. Т. о. отпадает необходимость построения и анализа таблиц маршрутизации. Но гораздо возрастает нагрузка на конечные узлы.

Маршрутизация от источника встречается редко. В протоколе IP она разрешена.

Одношаговые алгоритмы делят на 3 класса:

1)  Алгоритм статической маршрутизации. Все записи в таблице маршрутизации являются статическими. Администратор сети сам решает куда передавать пакеты с теми или иными адресами. (для простых топологий)

2)  Алгоритм простой маршрутизации. Таблица маршрутизации либо вовсе не используется, либо строится без участия протоколов маршрутизации..

Используют 3 типа простой маршрутизации:

·  Случайная (прибывший пакет посылается в первое случайное направление)

·  Лавинная (пакет широковещательно распространяется во все каналы кроме исходящего)

·  По предыдущему опыту

3)  Алгоритм адаптивной маршрутизации. Таблицы постоянно меняются маршрутизаторами, которые отслеживают конфигурацию сети.

Основные функции маршрутизаторов:

Чтение заголовков из пакетов сетевых протоколов, принимаемых и буферизируемых на всех портах Принятие решения о дальнейшем маршруте

На маршрутизатор можно возложить и другие функции – к примеру – фрагментация пакетов.

Типичный маршрутизатор – внешнее устройство с 1 или более процессорами со сложным программным обеспечением. Скорость работы – Мбит/с.

Маршрутизатор управляется специализированной сложной ОС. Чем больше протоколов сетевого уровня поддерживает маршрутизатор тем больше он подходит для магистральных сетей.

В зависимости от области применения и возможности различают маршрутизаторы магистральные, региональные, удаленных офисов, локальных сетей.

Дополнительные функции маршрутизаторов:

Поддержка одновременно нескольких протоколов маршрутизации Работа с приоритетами сетевых протоколов Поддержка политики маршрутных обмениваний Защита от широковещательных штормов Поддержка немаршрутизируемых протоколов Разделение функций составления и использования таблиц маршрутизации Усечение собственных функций

30. Принципы построения составных сетей на основе протоколов сетевого уровня.

Сетевой уровень в первую очередь должен предоставлять средства для решения следующих задач:

доставки пакетов в сети с произвольной топологией,

структуризации сети путем надежной локализации трафика,

согласования различных протоколов канального уровня.

Локализация трафика и изоляция сетей

Для разделения сети на сегменты используются мосты и коммутаторы. Они экранируют локальный трафик внутри сегмента, не передавая за его пределы никаких кадров, кроме тех, которые адресованы компьютерам, находящимся в других сегментах. Тем самым, сеть распадается на отдельные подсети. Это позволяет более рационально выбирать пропускную способность имеющихся линий связи, учитывая интенсивность трафика внутри каждой группы, а также активность обмена данными между группами.

Однако локализация трафика средствами мостов и коммутаторов имеет существенные ограничения.

С одной стороны, логические сегменты сети, расположенные между мостами, недостаточно изолированы друг от друга, а именно, они не защищены от, так называемых, широковещательных штормов. С другой стороны, использование механизма виртуальных сегментов, реализованного в коммутаторах локальных сетей, приводит к полной локализации трафика - такие сегменты полностью изолированы друг от друга, даже в отношении широковещательных кадров. Поэтому в сетях, построенных только на мостах и коммутаторах, компьютеры, принадлежащие разным виртуальным сегментам, не образуют единой сети.

Приведенные недостатки мостов и коммутаторов связаны с тем, что они работают по протоколам канального уровня, в которых в явном виде не определяется понятие части сети (или подсети, или сегмента), которое можно было бы использовать при структуризации большой сети. Вместо того, чтобы усовершенствовать канальный уровень, разработчики сетевых технологий решили поручить задачу построения составной сети новому уровню - сетевому.

Согласование протоколов канального уровня

Именно для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами, и служит сетевой уровень. Когда две или более сетей организуют совместную транспортную службу, то такой режим взаимодействия обычно называют межсетевым взаимодействием (internetworking). Для обозначения составной сети в англоязычной литературе часто также используется термин интерсеть (internetwork или internet).

Создание сложной структурированной сети, интегрирующей различные базовые технологии, может осуществляться и средствами канального уровня: для этого могут быть использованы некоторые типы мостов и коммутаторов. Однако возможностью трансляции протоколов канального уровня обладают далеко не все типы мостов и коммутаторов, к тому же возможности эти ограничены. В частности, в объединяемых сетях должны совпадать максимальные размеры полей данных в кадрах, так как канальные протоколы, как правило, не поддерживают функции фрагментации пакетов.

Маршрутизация в сетях с произвольной топологией

Среди протоколов канального уровня некоторые обеспечивают доставку данных в сетях с произвольной топологией, но только между парой соседних узлов (например, протокол PPP), а некоторые - между любыми узлами (например, Ethernet), но при этом сеть должна иметь топологию определенного и весьма простого типа, например, древовидную.

Сетевой уровень позволяет передавать данные между любыми, произвольно связанными узлами сети.

Реализация протокола сетевого уровня подразумевает наличие в сети специального устройства - маршрутизатора. Маршрутизаторы объединяют отдельные сети в общую составную сеть (рисунок 1.1). Внутренняя структура каждой сети не показана, так как она не имеет значения при рассмотрении сетевого протокола. К каждому маршрутизатору могут быть присоединены несколько сетей (по крайней мере две).

В сложных составных сетях почти всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Задачу выбора маршрутов из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы.

Маршрутизатор выбирает маршрут на основании своего представления о текущей конфигурации сети и соответствующего критерия выбора маршрута. Обычно в качестве критерия выступает время прохождения маршрута, которое в локальных сетях совпадает с длиной маршрута, измеряемой в количестве пройденных узлов маршрутизации (в глобальных сетях принимается в расчет и время передачи пакета по каждой линии связи).

Функции сетевого уровня

Протоколы канального уровня не позволяют строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Для того, чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи пакетов для типовых топологий, а с другой стороны, допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень.

Основная идея введения сетевого уровня состоит в том, чтобы оставить технологии, используемые в объединяемых сетях в неизменном в виде, но добавить в кадры канального уровня дополнительную информацию - заголовок сетевого уровня, на основании которой можно было бы находить адресата в сети с любой базовой технологией. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня тех сетей, которые могут входить в объединенную сеть.

Заголовок сетевого уровня должен содержать адрес назначения 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, нужный для успешного проведения операций сборки-разборки фрагментов при соединении сетей с разными максимальными размерами кадров канального уровня,

время жизни пакета, указывающее, как долго он путешествует по интерсети, это время может использоваться для уничтожения "заблудившихся" пакетов,

информация о наличии и о состоянии связей между сетями, помогающая узлам сети и маршрутизаторам рационально выбирать межсетевые маршруты,

информация о загруженности сетей, также помогающая согласовать темп посылки пакетов в сеть конечными узлами с реальными возможностями линий связи на пути следования пакетов,

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

В качестве адресов отправителя и получателя в составной сети используется не МАС-адрес, а пара чисел - номер сети и номер компьютера в данной сети. В канальных протоколах поле "номер сети" обычно отсутствует - предполагается, 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, используя альтернативные маршруты, если они имеются, что не умеют делать мосты.

Таким образом, внутри сети доставка сообщений регулируется канальным уровнем. А вот доставкой пакетов между сетями занимается сетевой уровень.

Протоколы передачи данных и протоколы обмена маршрутной информацией

Для того, чтобы иметь информацию о текущей конфигурации сети, маршрутизаторы обмениваются маршрутной информацией между собой по специальному протоколу. Протоколы этого типа называются протоколами обмена маршрутной информацией (или протоколами маршрутизации). Протоколы обмена маршрутной информацией следует отличать от, собственно, протоколов сетевого уровня. В то время как первые несут чисто служебную информацию, вторые предназначены для передачи пользовательских данных, также, как это делают протоколы канального уровня.

Для того, чтобы доставить удаленному маршрутизатору пакет протокола обмена маршрутной информацией, используется протокол сетевого уровня, так как только он может передать информацию между маршрутизаторами, находящимися в разных сетях. Пакет протокола обмена маршрутной информацией помещается в поле данных пакета сетевого уровня, поэтому с точки зрения вложенности пакетов протоколы маршрутизации следует отнести к более высокому уровню, чем сетевой. Но функционально они решают общую задачу с пакетами сетевого уровня - доставляют кадры адресату через разнородную составную сеть.

С помощью протоколов обмена маршрутной информацией маршрутизаторы составляют карту межсетевых связей той или иной степени подробности и принимают решение о том, какому следующему маршрутизатору нужно передать пакет для образования рационального пути.

На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов - Address Resolution Protocol, ARP. Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют их сути.