4. Сети tcp/ip

4.1. Объединение сетей на основе протоколов сетевого уровня

В модели OSI на сетевом уровне осуществляются:

• 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 – хостах, а также на промежуточных узлах-маршрутизаторах – шлюзах. Функции маршрутизаторов могут выполнять как специализированные устройства, так и универсальные компьютеры с соответствующим ПО [1].

4.1.1. Ограничения мостов и коммутаторов

В принципе, создание сложной, структурированной сети, интегрирующей различные базовые технологии, могло бы осуществляться и средствами канального уровня – с помощью некоторых типов 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 следующие существенные ограничения и недостатки:

• в топологии получившейся сети должны отсутствовать петли, так как мост/коммутатор может решать задачу доставки пакета только при наличии единственного пути. А наличие избыточных (и образующих петли) связей обеспечивает балансировку нагрузки и повышение надежности сети за счет резервирования путей доставки;

• логические сегменты сети между мостами/коммутаторами слабо изолированы друг от друга, а именно от широковещательных штормов;

• с мостами/коммутаторами достаточно сложно решается задача управления трафиком на основе значения данных, содержащихся в пакете. Здесь это возможно только с помощью пользовательских фильтров;

• реализация транспортной подсистемы только средствами физического и канального уровня (мостов/коммутаторов) приводит к недостаточно гибкой, одноуровневой системе адресации. В качестве адреса назначения используется MAC-адрес, жестко связанный с сетевым адаптером;

• транслировать протоколы канального уровня могут не все типы мостов и коммутаторов, да и эти их возможности ограничены. В частности, в объединяемых сетях должны совпадать максимальные размеры полей данных в кадрах, так как отсутствует функция фрагментации кадров.

Таким образом, серьезные ограничения протоколов канального уровня делают построение больших неоднородных сетей на основе его средств весьма проблематичным. Для этого требуется привлечение средств более высокого, сетевого уровня [1, 5].

4.1.2. Понятие internetworking

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) (рис.4.1) [1]. Сети, входящие в составную сеть, называются подсетями (subnet), составляющими сетями или просто сетями.

Подсети соединяются между собой маршрутизаторами. Компонентами составной сети могут быть ЛС и ГС, в каждой из которых узлы взаимодействуют, используя свою базовую технологию. Но для организации взаимодействия узлов разных подсетей требуются дополнительные средства. Такие средства и предоставляет сетевой уровень. Он выступает в качестве координатора, организующего работу всех подсетей, лежащих на пути пакета в составной сети. Для перемещения же пакета в пределах каждой подсети сетевой уровень обращается к соответствующей базовой технологии [32-38].

Рис.4.1. Составная сеть

Хотя многие технологии ЛС используют адресацию узлов на основе MAC-адресов, существуют и другие схемы адресации. Адреса, присвоенные узлам в подсетях, называются локальными. Чтобы сетевой уровень мог выполнить свою задачу, ему необходима своя система однозначной адресации всех узлов составной сети. Естественным является сетевой адрес в виде пары (номер подсети, номер узла). Номер узла может представлять:

• локальный адрес узла, как в стеке протоколов компании Novell – «межсетевого обмена пакетами» (Internetwork Packet eXchange, IPX) / транспортного протокола «последовательного обмена пакетами» (Sequenced Packet eXchange, SPX);

• независимое от технологии уникальное число (как в стеке TCP/IP).

Второй подход более универсален. Таким образом, в составной сети каждый узел получает еще один универсальный сетевой адрес.

Данные, поступающие на сетевой уровень для передачи через составную сеть, снабжаются заголовком сетевого уровня, вместе образуя пакет. Заголовок сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня подсетей, и несет, кроме всего прочего, номер подсети, которой предназначен пакет. Сетевой уровень определяет маршрут и перемещает пакет между подсетями.

В подсети (например, стандартной ЛС) пакеты сетевого уровня упаковываются в кадры канального уровня. При передаче пакета сетевого уровня в другую подсеть он освобождается от заголовков канального кадра старой подсети и окружается заголовками канального кадра новой подсети. Эта замена делается на основе информации из служебных полей пакета сетевого уровня. В поле адреса назначения нового кадра указывается локальный адрес следующего маршрутизатора.

Основным полем заголовка сетевого уровня является номер сети-адресата. Такого поля в кадрах протоколов ЛС не было, так как все узлы принадлежали одной сети. Явная нумерация сетей позволяет протоколам сетевого уровня составлять точную карту межсетевых связей и выбирать рациональные маршруты при любой топологии, в том числе при возможности – альтернативные, что не умеют делать мосты и коммутаторы.

Другие поля заголовка сетевого уровня содержат следующую информацию:

• 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 требует передать пакет с максимальной надежностью, возможно в ущерб времени доставки.

Когда две или более сети организуют совместную транспортную службу, такой режим называется межсетевым взаимодействием (internetworking).