Принципи побудови складових мереж

Мережевий рівень в першу чергу повинен надавати кошти для вирішення таких завдань:

доставки пакетів в мережі з довільною топологією

структуризації мережі шляхом надійної локалізації трафіку

узгодження різних протоколів канального рівня.

Локалізація трафіку та ізоляція мереж

Трафік в мережі складається випадковим чином, однак в ньому відображені і деякі закономірності. Як правило, деякі користувачі, які працюють над спільним завданням, (наприклад, співробітники одного відділу) найчастіше звертаються із запитами або один до одного, або до загального сервера, і тільки іноді вони відчувають необхідність доступу до ресурсів комп'ютерів іншого відділу. Бажано, щоб структура мережі відповідала структурі інформаційних потоків. В залежності від мережного трафіку комп'ютери в мережі можуть бути розділені на групи (сегменти мережі). Комп'ютери об'єднуються в групу, якщо більша частина породжуються ними повідомлень, адресована комп'ютерів цієї ж групи.

Для поділу мережі на сегменти використовуються мости й комутатори. Вони екранують локальний трафік всередині сегмента, не передаючи за його межі ніяких кадрів, крім тих, які адресовані комп'ютерів, що знаходяться в інших сегментах. Тим самим, мережа розпадається на окремі підмережі. Це дозволяє більш раціонально вибирати пропускну здатність наявних ліній зв'язку, з огляду на інтенсивність трафіку всередині кожної групи, а також активність обміну даними між групами.

Однак локалізація трафіку засобами мостів і комутаторів має істотні обмеження.

З одного боку, логічні сегменти мережі, розташовані між мостами, недостатньо ізольовані один від одного, а саме, вони не захищені від, так званих, широкомовних штормів. Якщо будь-яка станція посилає широкомовне повідомлення, то це повідомлення передається всіх станціях всіх логічних сегментів мережі. Захист від широкомовних штормів в мережах, побудованих на основі мостів, має кількісний, а не якісний характер: адміністратор просто обмежує кількість широкомовних пакетів, яке дозволяється генерувати деякого вузла.

З іншого боку, використання механізму віртуальних сегментів, реалізованого в комутаторах локальних мереж, призводить до повної локалізації трафіку - такі сегменти повністю ізольовані один від одного, навіть по відношенню широкомовних кадрів. Тому в мережах, побудованих лише на мостах і комутаторах, комп'ютери, що належать різним віртуальним сегментах, не утворюють єдиної мережі.

Наведені недоліки мостів і комутаторів пов'язані з тим, що вони працюють по протоколах канального рівня, в яких в явному вигляді не визначається поняття частини мережі (або підмережі, або сегмента), яке можна було б використовувати при структуризації великої мережі. Замість того, щоб удосконалити канальний рівень, розробники мережевих технологій вирішили доручити завдання побудови складовою мережі нового рівня -- мережному.

Узгодження протоколів канального рівня

Сучасні обчислювальні мережі часто будуються з використанням декількох різних базових технологій -- Ethernet, Token Ring або FDDI. Така неоднорідність виникає або при об'єднання вже існуючих раніше мереж, що використовують в своїх транспортних підсистемах різні протоколи канального рівня, або при переході до нових технологіям, таким, як Fast Ethernet або 100VG-AnyLAN.

Саме для утворення єдиної транспортної системи, що поєднує кілька мереж з різними принципами передачі інформації між кінцевими вузлами, і служить мережевий рівень. Коли два або більше мереж організують спільну транспортну службу, то такий режим взаємодії зазвичай називають міжмережевим взаємодією (internetworking). Для позначення складовою мережі в англомовній літературі часто також використовується термін интерсеть (internetwork або internet).

Створення складної структурованої мережі, що інтегрує різні базові технології, може здійснюватися і засобами канального рівня: для цього можуть бути використані деякі типи мостів і комутаторів. Однак можливістю трансляції протоколів канального рівня володіють далеко не всі типи мостів і комутаторів, до того ж ці можливості обмежені. Зокрема, в об'єднуються мережах повинні збігатися максимальні розміри полів даних у кадрах, тому що канальні протоколи, як правило, не підтримують функції фрагментації пакетів.

Маршрутизація в мережах з довільною топологією

Серед протоколів канального рівня деякі забезпечують доставку даних в мережах з довільною топологією, але тільки між парою сусідніх вузлів (наприклад, протокол PPP), а деякі - між будь-якими вузлами (наприклад, Ethernet), але при цьому мережа повинна мати топологію певного і дуже простого типу, наприклад, деревоподібну.

При об'єднанні в мережу декількох сегментів за допомогою марнотратників або комутаторів продовжують діяти обмеження на її топологію: у що вийшла мережі повинні бути відсутніми петлі. Дійсно, міст або його функціональний аналог - комутатор - можуть вирішувати завдання доставки пакунка адресату тільки тоді, коли між відправником і одержувачем існує єдиний шлях. У той же час наявність надлишкових зв'язків, які й утворюють петлі, часто необхідно для кращого балансування навантаження, а також для підвищення надійності мережі за рахунок існування альтернативного маршруту на додаток до основного.

Мережевий рівень дозволяє передавати дані між будь-якими, довільно пов'язаними вузлами мережі.

Реалізація протоколу мережевого рівня передбачає наявність у мережі спеціального пристрою - маршрутизатора. Маршрутизатори об'єднують окремі мережі в загальну складову мережа (малюнок 1.1). Внутрішня структура кожної мережі не показана, так як вона не має значення при розгляді мережевого протоколу. До кожного маршрутизатора можуть бути приєднані кілька мереж (принаймні дві).

У складних складових мережах майже завжди існує кілька альтернативних маршрутів для передачі пакетів між двома кінцевими вузлами. Завдання щодо вибору маршрутів з декількох можливих вирішують маршрутизатори, а також кінцеві вузли.

Маршрут - це послідовність маршрутизаторів, які повинен пройти пакет від відправника до пункту призначення.

Маршрутизатор вибирає маршрут на підставі свого уявлення про поточної конфігурації мережі та відповідного критерію вибору маршруту. Зазвичай в якості критерію виступає час проходження маршруту, що в локальних мережах збігається з довжиною маршруту, що вимірюється в кількості пройдених вузлів маршрутизації (в глобальних мережах приймається в розрахунок і час передачі пакета по кожній лінії зв'язку).

Рис. 1.1. Архітектура складовою мережі

Мережевий рівень і модель OSI

У моделі OSI, званої також моделлю взаємодії відкритих систем (Open Systems Interconnection - OSI) і розробленої Міжнародною Організацією за Стандартами (International Organization for Standardization - ISO), засоби мережної взаємодії діляться на сім рівнів, для яких визначені стандартні назви та функції.

Мережевий рівень займає в моделі OSI проміжне положення: до його послуг звертаються протоколи прикладного рівня, сеансового рівня та рівня подання. Для виконання своїх функцій мережевий рівень викликає функції канального рівня, який в свою чергу звертається до засобів фізичного рівня.

Розглянемо коротко основні функції рівнів моделі OSI.

Фізичний рівень виконує передачу бітів по фізичних каналах, таким, як коаксіальний кабель, вита пара або оптичне волокно. На цьому рівні визначаються характеристики фізичних середовищ передачі даних і параметрів електричних сигналів.

Канальний рівень забезпечує передачу кадру даних між будь-якими вузлами в мережах з типовою топологією або між двома сусідніми вузлами в мережах з довільною топологією. У протоколах канального рівня закладена певна структура зв'язків між комп'ютерами та способи їх адресації. Адреси, які використовуються на канальному рівні в локальних мережах, часто називають МАС-адресами.

Мережний рівень забезпечує доставку даних між будь-якими двома вузлами в мережі з довільною топологією, при цьому він не бере на себе ніяких зобов'язань по надійності передачі даних.

Транспортний рівень забезпечує передачу даних між будь-якими вузлами мережі з необхідним рівнем надійності. Для цього на транспортному рівні є засоби встановлення з'єднання, нумерації, буферизації та впорядкування пакетів.

Сеансовий рівень надає засоби управління діалогом, що дозволяють фіксувати, яка з взаємодіючих сторін є активною в даний момент, а також надає засоби синхронізації в рамках процедури обміну повідомленнями.

Рівень подання. На відміну від нижчих рівнів, які мають справу з надійною і ефективною передачею бітів від відправника до одержувача, рівень представлення має справу з зовнішнім поданням даних. На цьому рівні можуть виконуватися різні види перетворення даних, такі як компресія і декомпресія, шифрування та дешифрування даних.

Прикладної рівень - це в суті набір різноманітних мережевих сервісів, що надаються кінцевим користувачам і додатків. Прикладами таких сервісів є, наприклад, електронна пошта, передача файлів, підключення віддалених терміналів до комп'ютера по мережі.

При побудові транспортної підсистеми найбільший інтерес представляють функції фізичного, канального та мережевого рівнів, тісно пов'язані з використовуваним в даній мережі обладнанням: мережевими адаптерами, концентраторами, мостами, комутаторами, маршрутизаторами. Опції прикладного та сеансового рівнів, а також рівня представлення реалізуються операційними системами та системними програмами кінцевих вузлів. Транспортний рівень виступає посередником між цими двома групами протоколів.

Функції мережевого рівня

Протоколи канального рівня не дозволяють будувати мережі з розвиненою структурою, наприклад, мережі, що об'єднують декілька мереж підприємства в єдину мережу, або високонадійні мережі, в яких існують надмірні зв'язки між вузлами. Для того, щоб, з одного боку, зберегти простоту процедур передачі пакетів для типових топологій, а з іншого боку, допустити використання довільних топологій, вводиться додатковий мережевий рівень.

Перш, ніж приступити до розгляду функцій мережного рівня, уточнимо, що розуміється під терміном "мережа". У протоколах мережевого рівня термін "мережа" означає сукупність комп'ютерів, з'єднаних між собою відповідно до однієї з стандартних типових топологій і використовують для передачі пакетів загальну базову мережеву технологію. Усередині мережі сегменти не розділяються маршрутизаторами, інакше це була б не одна мережа, а кілька мереж. Маршрутизатор з'єднають декілька мереж в интерсеть.

Основна ідея введення мережевого рівня полягає в тому, щоб залишити технології, які використовуються в об'єднуються мережах в незмінному у вигляді, але додати кадри канального рівня додаткову інформацію - заголовок мережного рівня, на підставі якої можна було б знаходити адресата в мережі з будь-якою базовою технологією. Заголовок пакета мережного рівня має уніфікований формат, що не залежить від форматів кадрів канального рівня тих мереж, які можуть входити в об'єднану мережу.

Заголовок мережевого рівня повинен містити адресу призначення та іншу інформацію, необхідну для успішного переходу пакету з мережі одного типу в мережу іншого типу. До такої інформації може ставитися, наприклад:

номер фрагмента пакета, потрібний для успішного проведення операцій складання-розбирання фрагментів при з'єднанні мереж з різними максимальними розмірами кадрів канального рівня

час життя пакету, яке вказує, як довго він подорожує по інтермережі, цей час може використовуватися для знищення "заблукали" пакетів

інформація про наявність і про стані зв'язків між мережами, що допомагає вузлами мережі і маршрутизаторам раціонально вибирати міжмережеві маршрути

інформація про завантаженість мереж, також допомагає узгодити темп посилки пакетів в мережу кінцевими вузлами з реальними можливостями ліній зв'язку на шляху проходження пакетів

якість сервісу - критерій вибору маршруту при міжмережевих передачах - наприклад, вузол-відправник може зажадати передати пакет з максимальною надійністю, можливо на шкоду часу доставки

Як адрес відправника та одержувача в складовою мережі використовується не МАС-адресу, а пара чисел - номер мережі та номер комп'ютера в даній мережі. У канальних протоколах полі "номер мережі "звичайно відсутня - передбачається, що всі вузли належать одній мережі. Явна нумерація мереж дозволяє протоколів мережного рівня складати точну карту міжмережевих зв'язків і вибирати раціональні маршрути за будь-якої їх топології, використовуючи альтернативні маршрути, якщо вони є, що не вміють робити мости.

Таким чином, всередині мережі доставка повідомлень регулюється канальним рівнем. А ось доставкою пакетів між мережами займається мережевий рівень.

Існує два підходи до призначенням номера вузла в заголовку мережевого пакету. Перший заснований на використанні для кожного вузла нової адреси, відмінного від того, який використовувався на канальному рівні. Перевагою такого підходу є його універсальність і гнучкість - яким би не був формат адреси на канальному рівні, формат адреси вузла на мережевому рівні вибирається єдиним. Однак, тут є і деякі незручності, пов'язані з необхідністю заново нумерувати вузли, причому найчастіше вручну.

Другий підхід полягає в використанні на мережевому рівні того ж адреси сайту, що був даний йому на канальному рівні. Це позбавляє адміністратора від додаткової роботи по присвоєння нових адрес, знімає необхідність у встановленні відповідності між мережевим і канальним адресою одного і того ж сайту, але може породити складне завдання інтерпретації адреси вузла при з'єднанні мереж з різними форматами адрес.

Протоколи передачі даних і протоколи обміну маршрутної інформацією

Для того, щоб мати інформацію про поточну конфігурації мережі, маршрутизатори обмінюються маршрутної інформацією між собою по спеціальному протоколу. Протоколи цього типу називаються протоколами обміну маршрутної інформацією (або протоколами маршрутизації). Протоколи обміну маршрутної інформацією слід відрізняти від, власне, протоколів мережного рівня. У той час як перші несуть чисто службову інформацію, друга призначені для передачі призначених для користувача даних, також, як це роблять протоколи канального рівня.

Для того, щоб доставити віддаленою маршрутизатора пакет протоколу обміну маршрутної інформацією, використовується протокол мережевого рівня, тому що тільки він може передати інформацію між маршрутизаторами, що знаходяться в різних мережах. Пакет протоколу обміну інформацією маршрутної поміщається в поле даних пакета мережного рівня, тому з точки зору вкладеності пакетів протоколи маршрутизації слід віднести до більш високого рівня, ніж мережевий. Але функціонально вони вирішують загальну завдання з пакетами мережного рівня - доставляють кадри адресатові через різнорідну складову мережу.

За допомогою протоколів обміну маршрутної інформацією маршрутизатори складають карту міжмережевих зв'язків тієї або іншому ступені подробиці і приймають рішення про те, якому наступного маршрутизатора потрібно передати пакет для освіти раціонального шляху.

На мережевому рівні працюють протоколи ще одного типу, які відповідають за відображення адреси вузла, що використовується на мережевому рівні, в локальну адресу мережі. Такі протоколи часто називають протоколами дозволу адрес - Address Resolution Protocol, ARP. Іноді їх відносять не до мережного рівня, а до канального, хоча тонкощі класифікації не змінюють їх суті.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайтаhttp:// al.km.ru/sample_tcpip.html http://al.km.ru/