Протоколы компьютерных сетей и сетевые операционные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Российской Федерации по связи и информатизации

Уральский технический институт по связи и информатизации (филиал)

СибГУТИ

Учебное пособие по дисциплине

Протоколы компьютерных сетей и сетевые операционные системы

для специальностей:

200900- «Сети связи и системы коммутации»;

201000 - «Многоканальные телекоммуникационные системы»

Н.В. Будылдина

Екатеринбург 2003

ББК. 32.884

УДК 621.396.2

УМО

Составитель:

Доцент Н.В. Будылдина

Рецензенты: профессор, зав. кафедрой обработки

и передачи дискретных сообщений государственного

университета телекоммуникаций им. проф. Бонч-Бруевича

О.С. Когнавицкий;

начальник центра информационных технологий ОАО «УралСвязьИнформ» Гилева Н.В;

Зав. кафедрой «Связь» УрГУПС, к.т.н., профессор А.В. Паршин

Протоколы компьютерных сетей и сетевые операционные системы.

Учебное пособие: «Протоколы компьютерных сетей и сетевые операционные системы»\Н.В. Будылдина. Екатеринбург: УрТИСИ СибГУТИ.

В учебном пособии рассмотрены основные протоколы компьютерных сетей, которые используются для взаимодействия распределенных систем. Рассмотрены протоколы канального, сетевого и транспортного уровней. Протоколы маршрутизации: RIP, OSPF, BGP, IP-маршрутизация. Адресация протоколов Ipv4 и Ipv6. Автоматизация процессов назначения IP -адресов. Служба каталогов на базе LDAP. Учебное пособие содержит контрольные вопросы по каждому разделу.

Учебное пособие предназначено для студентов очного и заочного обучения для специальностей: «Многоканальные телекоммуникационные системы» и «Сети связи и системы коммутации».

Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникаций в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальностям 200900- «Сети связи и системы коммутации» и 201000 - «Многоканальные телекоммуникационные системы»

Кафедра АЭС

© УрТИСИ СибГУТИ, 2003

Содержание

Введение

Раздел 1. Стратегии межсетевого взаимодействия

1.1 Трансляция протоколов

1.2 Мультиплексирование протоколов

1.3 Сравнение трансляции и мультиплексирования

1.4 Инкапсуляция (туннелирование) протоколов

Контрольные вопросы

Раздел 2. Средства согласования протоколов на физическом и канальном уровнях

2.1 Функции физического уровня. Средства согласования

2.2 Функции канального уровня модели OSI

2.3 Согласование типа и размера кадров в составных сетях

2.4 Использование единого сетевого протокола в маршрутизаторах

2.5 Поддержка маршрутизаторами различных базовых технологий

Контрольные вопросы

Раздел 3. Протоколы канального уровня

3.1 Протокол SLIP

3.2 Протокол РРР

3.2.1 Функции РРР различных уровней

3.2.2 Логическая характеристика протокола

3.2.3 Процедурная характеристика протокола

3.2.4 Установка сеанса связи по протоколу РРР

3.2.5 Преимущества РРР

Контрольные вопросы

Раздел 4. Протокол управления каналом

4.1 Протокол HDLC

4.1.1 Формат кадра и типы кадров

4.1.2 Управление связью

4.1.3 Передача данных

Контрольные вопросы

Раздел 5. Протоколы нижнего уровня сети INTERNET

5.1 Протокол ARP

5.1.1 Формат протокола ARP

5.1.2 Работа протокола ARP

5.2 Протокол RARP

Контрольные вопросы

Раздел 6. IP - протокол

6.1 IP - протокол версии 4

6.1.1 Основы протокола IPv4

6.1.2 Общие принципы адресации протокола IPv4

6.1.3 Маскирование подсетей

6.1.4 Планирование подсетей

6.2 IP - Протокол версии 6 (IPv6)

6.3 IP версия 6 - архитектуры адресации

6.3.1 Модель адресации

6.3.2 Представление записи адресов

6.3.3 Представление типа адреса

6.3.4 Уникастные адреса

6.3.5 Примеры уникастных адресов

6.3.6 Не специфицированный адрес

6.3.7 Адрес обратной связи

6.3.8 IPv6 адреса с вложенными IPv4 адресами

6.3.9 NSAP адреса

6.3.10 IPX Адреса

6.3.11 Провайдерские глобальные уникаст - адреса

6.3.12 Локальные уникаст - адреса IPv6

6.3.13 Эникаст-адреса

6.3.14 Необходимые эникаст-адреса

6.3.15 Мульткаст-адреса

6.3.16 Предопределенные мультикаст-адреса

6.3.17Необходимые адреса узлов

Контрольные вопросы

Раздел 7. Принципы маршрутизации

7.1 Алгоритмы выбора маршрутов

7.2 Принцип оптимальности

7.3 Выбор кратчайшего пути

7.4 Заливка

7.5 Маршрутизация на основании потока

7.6 Дистанционно-векторная маршрутизация

7.7 Маршрутизация с учетом состояний линий

7.7.1 Знакомство с соседями

7.7.2 Измерение стоимости линии

7.7.3 Создание пакетов состояния линий

7.7.4 Вычисление новых маршрутов

7.7.5 Иерархическая маршрутизация

7.7.6 Алгоритмы выбора маршрутов для мобильных хостов

7.7.7 Широковещательная маршрутизация

7.7.8 Многоадресная рассылка

Контрольные вопросы

Раздел 8. Общая информация о протоколах маршрутизации в сетях INTERNET

8.1 Внутренний протокол маршрутной информации RIP

8.2 Открытый протокол маршрутизации OSPF

8.3 Протокол граничного шлюза Border Gateway Protocol версии 4

8.3.1 Основы протокола маршрутизации BGP

8.3.2 Внешний протокол BGP

8.3.3 Внутренний протокол BGP

8.3.4 Переговоры с соседними BGP - узлами

Контрольные вопросы

Раздел 9. Transmission Control Protocol (TCP)

9.1 Назначение ТСР

9.2 Уровневое взаимодействие Internet протоколов

9.3 Модель сервиса TCP

9.4 Протокол TCP

9.5 Управление TCP-соединением

9.6 Управление передачей в TCP

9.7 Будущее TCP и его производительность

Раздел 10. User Datagram Protocol (UDP)

10.1 Назначение протокола

10.2 Определение окончательного места назначения

10.3 Протокол пользовательских дейтаграмм (UDР)

10.4 Формат UDР-сообщений

10.5 Псевдозаголовок UDР

10.6 Разделение на уровни и вычисление контрольной суммы UDР

10.7 Мультиплексирование, демультиплексирование и порты UDР

10.8 Зарезервированные и свободные номера портов UDP

Контрольные вопросы по разделам 9 и 10

Раздел 11. Автоматизация процессов назначения IP - адресов. Протокол DHCP

Раздел 12. Служба каталогов на базе протокола LDAP

Контрольные вопросы по разделам 11 и 12

Список литературы

Введение

Базовая сетевая технология - это согласованный набор протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств, достаточный для построения вычислительной сети. Протоколы, на основе которых строится сеть базовой технологии, специально разрабатывались для совместной работы, поэтому от разработчика сети не требуется дополнительных усилий по организации их взаимодействия. Примерами базовых сетевых технологий могут служить хорошо известные технологии Ethernet и Token Ring для локальных сетей и технологии Х.25 и frame relay для территориальных сетей. Для получения работоспособной сети в этом случае достаточно приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии - сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммутаторы, кабельную систему и т.п., и соединить их в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию.

Однако построение крупной сети на основе одной базовой технологии - это большая редкость. Обычным состоянием для любой вычислительной сети средних и крупных размеров является сосуществование различных стандартов и базовых технологий. Появление новых технологий, таких как Fast Ethernet или 100VG-AnyLAN, не означает, что мгновенно исчезают старые, например, 10-Мегабитный Ethernet, Token Ring или FDDI, так как в эти технологии были сделаны огромные капиталовложения. Поэтому трудно рассчитывать на вытеснение в обозримом будущем всех технологий какой-либо одной, хотя бы и такой многообещающей, как ATM.

Степень неоднородности сетевых технологий существенно возрастает при необходимости объединения локальных и глобальных сетей, имеющих, как правило, различные стеки протоколов. Хотя в последние годы и наметилась тенденция к сближению методов передачи данных, используемых в этих двух типах вычислительных сетей, различия между ними все еще велики. Поэтому в пределах одной корпоративной сети обычно используется большой набор разнообразных базовых топологий, и задача объединения их всех в единую сеть, прозрачную для транспортных операций конечных узлов, требует привлечения специальных методов и средств.

Самым распространенным средством объединения разнородных транспортных технологий является использование единого сетевого протокола во всех узлах корпоративной сети. Единый сетевой протокол работает поверх протоколов базовых технологий и является тем общим стержнем, который их объединяет. Именно на основе общего сетевого протокола маршрутизаторы осуществляют передачу данных между сетями, даже в случае очень существенных различий между их базовыми сетевыми технологиями.

Хотя идея объединения составной сети с помощью маршрутизаторов подразумевает использование во всех частях сети одного сетевого протокола, очень часто сетевым интеграторам и администраторам приходится сталкиваться с задачей объединения сетей, каждая из которых уже работает на основе своего сетевого протокола. Имеется несколько сетевых протоколов, которые получили широкое распространение: IP, IPX, DECnet, Banyan IP, AppleTalk. Каждый из них имеет свою нишу и своих сторонников, поэтому очень вероятно, что в отдельных частях большой сети будут использоваться разные сетевые протоколы. Маршрутизаторы, даже многопротокольные, не могут решить задачу совместной работы сетей, использующих разные сетевые протоколы, поэтому в таких случаях используются другие средства, например, программные шлюзы.

Маршрутизаторы строят свои адресные таблицы с помощью специальных служебных протоколов, которые обычно называют протоколами обмена маршрутной информацией или протоколами маршрутизации.

Протоколы обмена маршрутной информацией также существуют не в единственном числе. Во-первых, протокол обмена маршрутной информацией тесно связан с определенным протоколом сетевого уровня, так как он должен отражать способ адресации сетей и узлов, принятый в этом сетевом протоколе. Поэтому для каждого сетевого протокола должен использоваться свой протокол обмена маршрутной информацией. Во-вторых, для каждого сетевого протокола разработано несколько протоколов обмена маршрутной информацией, отличающихся способом построения таблицы маршрутизации.

В результате в корпоративной сети может одновременно работать несколько протоколов обмена маршрутной информацией, например, RIP IP, RIP IPX, OSPF, NLSP, IGRP. Для того чтобы добиться их согласованной работы, от администратора сети требуется использование соответствующих маршрутизаторов и выполнение специфических операций по их настройке.

Проблемы несовместимости оборудования разных производителей возникают чаще всего по трем причинам:

неточная (с ошибками) реализация стандартов;

использование фирменных стандартов;

улучшение стандартов - введение дополнительных функций и свойств.

Для компаний, являющихся лидерами рынка коммуникационного оборудования, ошибочная реализация стандартов - событие маловероятное, так как их представители всегда составляют основу комитетов, разрабатывающих стандарты.

Однако оставшиеся две причины часто порождают проблемы. На первый взгляд может показаться, что нет ничего страшного в том, что в коммуникационной аппаратуре имеются дополнительные функции или что эта аппаратура поддерживает наряду с общепринятыми и свои, фирменные протоколы. В любом случае остается возможность организовать совместную работу двух устройств разных производителей на основе стандартных протоколов. Тем не менее, на практике этой возможностью удается воспользоваться не всегда. Примером служит история с протоколом DLSw, первая стандартная версия которого была описана в документе RFC 1434. Затем компания Cisco выпустила фирменную улучшенную версию этого протокола, названную DLSw+, совместимую со стандартной версией. Затем появилась новая стандартная версия DLSw, описанная в RFC 1795, которая также была обратно совместима с прежним стандартом. Однако версия DLSw по RFC 1795 оказалась несовместимой с версией DLSw+, что породило необходимость модификации программного обеспечения в маршрутизаторах Cisco в тех организациях, которые стали устанавливать новые маршрутизаторы от других фирм.

Использование фирменных стандартов может привести к тому, что администраторы сетей, в какой-то момент, при очередной модернизации сети, оказываются перед нелегким выбором - либо устанавливать новое оборудование только от одного производителя, даже если есть более подходящие варианты, либо переконфигурировать все установленное оборудование для работы по стандартному протоколу, чтобы оно стало совместимо с оборудованием других производителей. Понятно, что каждый из этих вариантов является мало привлекательным.

Целью данного учебного пособия является рассмотреть возможности основных базовых протоколов, используемых в компьютерных сетях.

Раздел 1. Стратегии межсетевого взаимодействия

Средства взаимодействия компьютеров в сети организованы в виде многоуровневой структуры - стека протоколов. В однородной сети все компьютеры используют один и тот же стек. В контексте межсетевого взаимодействия понятие "сеть" можно определить как совокупность компьютеров, общающихся друг с другом с помощью единого стека протоколов. Проблема возникает тогда, когда требуется организовать взаимодействие компьютеров, принадлежащих разным сетям, то есть организовать взаимодействие компьютеров, на которых установлены разные стеки коммуникационных протоколов.

Задачи устранения неоднородности имеют некоторую специфику в зависимости от того, к какому уровню модели OSI они относятся, и даже имеют разные названия. Задача объединения транспортных подсистем, отвечающих только за передачу сообщений, обычно называется internetworking.

Несколько другая проблема, называемая interoperability, возникает при объединении сетей, использующих разные протоколы более высоких уровней. Как сделать, например, возможным и для клиентов сети Novell NetWare доступ к файловому сервису Windows NT или работу с сервисом telnet ОС Unix?

Очевидно, что подобные проблемы весьма характерны для корпоративных сетей, где в разных подразделениях часто работают разные сетевые операционные системы.

Проблема межсетевого взаимодействия может иметь разные внешние проявления, но суть ее одна - несовпадение используемых коммуникационных протоколов. Например, эта проблема возникает в сети, в которой используется только одна сетевая ОС, но в которой транспортная подсистема неоднородна из-за того, что сеть включает в себя фрагменты Ethernet, объединенные кольцом FDDI. Здесь в качестве взаимодействующих сетей выступают группы компьютеров, использующие различные протоколы канального и физического уровня, например, сеть Ethernet, сеть FDDI.

Равным образом проблема межсетевого взаимодействия может возникнуть в однородной сети Ethernet, в которой установлено несколько сетевых ОС. В этом случае все компьютеры и все приложения используют для транспортировки сообщений один и тот же набор протоколов, но взаимодействие клиентских и серверных частей сетевых сервисов осуществляется по разным протоколам. Здесь компьютеры могут быть отнесены к разным сетям, если у них различаются протоколы верхних уровней, например, сеть Windows NT, сеть NetWare. Конечно, эти сети могут спокойно сосуществовать, не мешая друг другу и мирно пользуясь общим транспортом. Однако, если потребуется обеспечить доступ к данным файл-сервера NetWare для клиентов Windows NT, администратор сети столкнется c необходимостью согласования сетевых сервисов.

Существует три основных подхода к согласованию разных стеков протоколов:

трансляция;

мультиплексирование;

инкапсуляция.

1.1 Трансляция протоколов

Трансляция обеспечивает согласование двух протоколов путем преобразования (трансляции) сообщений, поступающих от одной сети в формат другой сети. Транслирующий элемент, в качестве которого могут выступать, например, программный или аппаратный шлюз, мост, коммутатор или маршрутизатор, размещается между взаимодействующими сетями и служит посредником в их "диалоге" (рисунок 1.).

В зависимости от типа транслируемых протоколов процедура трансляции может иметь разную степень сложности. Так, преобразование протокола Ethernet в протокол Token Ring сводится к нескольким несложным действиям, главным образом благодаря тому, что в обоих протоколах используется единая адресация узлов. А вот трансляция протоколов сетевого уровня IP и IPX представляет собой гораздо более сложный, интеллектуальный процесс, включающий не только преобразование форматов сообщений, но и отображение адресов сетей и узлов, различным образом трактуемых в этих протоколах.

Рисунок 1 - Пример трансляции протоколов

Следует отметить, что сложность трансляции зависит не от того, сколь высокому уровню соответствуют транслируемые протоколы, а от того, насколько сильно они различаются. Так, например, весьма сложной представляется трансляция протоколов канального уровня ATM-Ethernet, именно поэтому для их согласования используется не трансляция, а другие подходы.

К частному случаю трансляции протоколов может быть отнесен широко применяемый подход с использованием общего протокола сетевого уровня (IP или IPX). Заголовок сетевого уровня несет информацию, которая, дополняя информацию заголовка канального уровня, позволяет выполнять преобразование протоколов канального уровня. Процедура трансляции в данном случае выполняется маршрутизаторами, причем помимо информации, содержащейся в заголовках транслируемых кадров, то есть в заголовках канального уровня, дополнительно используется информация более высокого уровня, извлекаемая из заголовков сетевого уровня.

Трансляцию протоколов могут выполнять различные устройства - мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, программные и аппаратные шлюзы. Часто транслятор протоколов называют шлюзом в широком смысле, независимо от того, какие протоколы он транслирует. В этом случае подчеркивается тот факт, что трансляция осуществляется выделенным устройством, соединяющим две разнородные сети.

1.2 Мультиплексирование протоколов

Другим подходом к согласованию коммуникационных протоколов является технология мультиплексирования. Этот подход состоит в установке нескольких дополнительных стеков протоколов на одной из конечных машин, участвующих во взаимодействии (рисунок 2). Компьютер с несколькими стеками протоколов использует для взаимодействия с другим компьютером тот стек, который понимает этот компьютер.

Для того чтобы запрос от прикладного процесса был правильно обработан и направлен через соответствующий стек, необходимо наличие специального программного элемента - мультиплексора протоколов. Мультиплексор должен уметь определять, к какой сети направляется запрос клиента.

При использовании технологии мультиплексирования структура коммуникационных средств операционной системы может быть и более сложной: мультиплексирование осуществляется не на уровне стеков, а на уровне отдельных протоколов. В общем случае на каждом уровне может быть установлено несколько протоколов, и для каждого уровня может существовать собственный мультиплексор, выполняющий коммутацию между протоколами соседних уровней. Например, рабочая станция может получить доступ к сетям с протоколами NetBIOS, IP, IPX через один сетевой адаптер. Аналогично сервер, поддерживающий прикладные протоколы NCP, SMB и NFS может без проблем выполнять запросы рабочих станций сетей NetWare, Windows NT и Sun одновременно.

Рисунок 2 - Мультиплексирование протоколов

1.3 Сравнение трансляции и мультиплексирования

Использование техники трансляции связано со следующими достоинствами:

не требуется устанавливать дополнительное программное обеспечение на рабочих станциях;

сохраняется привычная среда пользователей и приложений, транслятор полностью прозрачен для них;

все проблемы межсетевого взаимодействия локализованы, следовательно, упрощается администрирование, поиск неисправностей, обеспечение безопасности.

Недостатки согласования протоколов путем трансляции состоят в том, что:

транслятор замедляет работу из-за относительно больших временных затрат на сложную процедуру трансляции, а также из-за ожидания запросов в очередях к единственному элементу, через который проходит весь межсетевой трафик;

централизация обслуживания запросов к "чужой" сети снижает надежность. Однако можно предусмотреть резервирование - использовать несколько трансляторов;

при увеличении числа пользователей и интенсивности обращений к ресурсам другой сети резко снижается производительность - плохая масштабируемость.

Достоинства мультиплексирования по сравнению с трансляцией протоколов заключаются в следующем:

запросы выполняются быстрее за счет отсутствия очередей к единственному межсетевому устройству и использования более простой, чем трансляция, процедуры переключения на нужный протокол;

более надежный способ - при отказе стека на одном из компьютеров доступ к ресурсам другой сети возможен посредством протоколов, установленных на других компьютерах.

Недостатки данного подхода:

сложнее осуществляется администрирование и контроль доступа;

высокая избыточность требует дополнительных ресурсов от рабочих станций, особенно, если требуется установить несколько стеков для доступа к нескольким сетям;

менее удобен для пользователей по сравнению с транслятором, так как требует навыков работы с транспортными протоколами "чужих" сетей.

1.4 Инкапсуляция (туннелирование) протоколов

Инкапсуляция (encapsulation) или туннелирование (tunneling) - это еще один метод решения задачи согласования сетей, который, однако, применим только для согласования транспортных протоколов и только при определенных ограничениях. Инкапсуляция может быть использована, когда две сети с одной транспортной технологией необходимо соединить через сеть, использующую другую транспортную технологию. В приведенном на рисунке 3 примере две сети с протоколом NetBIOS нужно соединить через сеть TCP/IP. Необходимо обеспечить только взаимодействие узлов двух сетей NetBIOS, а взаимодействие между узлами NetBIOS и узлами сети TCP/IP не предусматривается. То есть при инкапсуляции промежуточная сеть используется только как транзитная транспортная система.

Рисунок 3 - Инкапсуляция протоколов сетевого уровня (вложение друг в друга)

Метод инкапсуляции заключается в том, что пограничные маршрутизаторы, которые подключают объединяемые сети к транзитной, упаковывают пакеты транспортного протокола объединяемых сетей в пакеты транспортного протокола транзитной сети. В данном случае пакеты NetBIOS упаковываются в пакеты TCP, как если бы пакеты NetBIOS представляли собой сообщения протокола прикладного уровня. Затем пакеты NetBIOS переносятся по сети TCP/IP до другого пограничного маршрутизатора. Второй пограничный маршрутизатор выполняет обратную операцию - он извлекает пакеты NetBIOS из пакетов TCP и отправляет их по сети назначения адресату.

Для реализации метода инкапсуляции пограничные маршрутизаторы должны быть соответствующим образом сконфигурированы. Они должны знать, во-первых, IP-адреса друг друга, во-вторых - NetBIOS-имена узлов объединяемых сетей. Имея такую информацию, они могут принять решение о том, какие NetBIOS-пакеты нужно переправить через транзитную сеть, какой IP-адрес указать в пакете, передаваемом через транзитную сеть, и каким образом доставить NetBIOS-пакет узлу назначения в конечной сети.

Инкапсуляция может быть использована для транспортных протоколов любого уровня. Например, протокол сетевого уровня Х.25 может быть инкапсулирован в протокол транспортного уровня TCP, или же протокол сетевого уровня IP может быть инкапсулирован в протокол сетевого уровня Х.25. Для согласования сетей на сетевом уровне могут быть использованы многопротокольные и инкапсулирующие маршрутизаторы, а также программные и аппаратные шлюзы.

Обычно инкапсуляция приводит к более простым и быстрым решениям по сравнению с трансляцией, так как решает более частную задачу, не обеспечивая взаимодействия с узлами транзитной сети.

Контрольные вопросы

Дать определение понятия «сеть» в контексте межсетевого взаимодействия.

Как сделать, возможным для клиентов сети Novell NetWare доступ к файловому сервису Windows NT или работу с сервисом telnet ОС Unix?

Пояснить процедуру трансляции при использовании протоколов сетевого уровня IP и IPX.

Что понимается под мультиплексированием протоколов?

Назовите достоинства, которые возникают при использовании техники трансляции.

Назовите недостатки согласования протоколов путем трансляции.

Назовите достоинства мультиплексирования по сравнению с трансляцией протоколов.

Что подразумевается под инкапсуляцией протоколов?

Может ли протокол сетевого уровня х.25 инкапсулирован в протокол транспортного уровня TCP?

Раздел 2 Средства согласования протоколов на физическом и канальном уровнях

2.1 Функции физического уровня. Средства согласования

Большинство базовых технологий локальных сетей допускает использование различных спецификаций физического уровня в одной сети. Эти спецификации отличаются используемой кабельной системой, а также способом физического кодирования сигналов в кабелях. Например, технология Ethernet имеет 6 вариантов реализации физического уровня: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, FOIRL, 10Base-FL и 10Base-FB.

Согласование различных физических уровней одной и той же технологии выполняется концентраторами, имеющими порты с приемопередатчиками (трансиверами) различных типов. В стандартах новых технологий для работы с различными вариантами физической среды физический уровень обычно делится на две части: часть, зависящую от физической среды, и часть, не зависящую от физической среды. В стандартах детально описывается интерфейс между этими подуровнями, что дает возможность использовать в концентраторах трансиверы третьих фирм.

Концентратор с несколькими портами различного физического уровня реализует метод трансляции протоколов, а компьютер с несколькими сетевыми адаптерами - метод мультиплексирования протоколов.

Иногда концентраторы выполняют и более сложные функции, нежели замена метода физического кодирования сигнала. Например, при объединении физического уровня 100Base-TX и 100Base-T4 в сетях Fast Ethernet концентратор должен выполнять преобразование логического кода 4B/5B в логический код 8B/6T. Такой концентратор называется транслирующим. Операция трансляции логических кодов занимает гораздо больше времени, чем простое преобразование электрических импульсов в оптические, как это происходит при объединении сегментов 100Base-TX и 100Base-FX, использующих один и тот же метод логического кодирования 4B/5B. Из-за этого в одном домене коллизий Fast Ethernet допускается использование максимум одного транслирующего концентратора, тогда как нетранслирующих концентраторов может быть два.

2.2 Функции канального уровня модели OSI

Функции протоколов канального уровня различаются в зависимости от того, предназначен ли данный протокол для передачи информации в локальных или в глобальных сетях. Протоколы канального уровня, используемые в локальных сетях, ориентируются на разделяемые между компьютерами сети и среду передачи данных. Поэтому в этих протоколах имеется подуровень доступа к разделяемой среде. Хотя канальный уровень локальной сети и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с совершенно определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда.

Использование разделяемой среды передачи данных делает в локальных сетях ненужными процедуры управления потоком кадров. Локальная сеть базовой топологии не может переполниться кадрами, так как узлы сети не могут начать генерацию нового кадра до приема предыдущего кадра станцией назначения.

Еще одной особенностью протоколов канального уровня локальных сетей является широкое использование дейтаграммных процедур. Это объясняется хорошим качеством каналов связи, редко искажающим биты в передаваемых кадрах.

Примерами протоколов канального уровня для локальных сетей являются протоколы Token Ring, Ethernet, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, FDDI.

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. К таким протоколам типа "точка-точка" относятся протоколы PPP, SLIP, LAP-B, LAP-D. Эти протоколы не используют подуровни доступа к среде, но требуют наличия процедур управления потоком кадров, так как промежуточные коммутаторы могут переполниться при слишком высокой интенсивности трафика по некоторым индивидуальным каналам. Кроме того, из-за высокой степени зашумленности глобальных каналов связи в протоколах этих сетей широко используются методы передачи данных с предварительным установлением соединения и повторными передачами кадров при их искажениях и потерях.

Канальный уровень оперирует единицами данных называемыми кадрами (frame). В общем случае каждый протокол канального уровня имеет свой особый формат кадра.

В локальных сетях канальный уровень разделяется на два подуровня:

уровень управления логическим каналом (logical link control, LLC);

уровень доступа к среде (media access layer, MAC).

Уровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. MAC-уровень лежит ниже LLC-уровня и выполняет функции обеспечения доступа к разделяемой между узлами сети общей среде передачи данных. Стандартные протоколы канального уровня часто различаются реализацией метода доступа к разделяемой среде, в то время как функции LLC-уровня гораздо меньше варьируются от одного стандарта к другому.

Уровень LLC дает более высоким уровням возможность управления качеством услуг, предоставляемых канальным уровнем. Так передача данных на канальном уровне может быть выполнена дейтаграммным способом либо с установлением соединений, с подтверждением правильности приема, либо без подтверждения.

Прием кадра из сети и отправка его в сеть связаны с процедурой доступа к среде передачи данных. В локальных сетях используется разделяемая среда передачи данных, поэтому все протоколы канального уровня локальных сетей включают процедуру доступа к среде, которая и является главной функцией МАС-уровня. Кроме того, МАС-уровень должен согласовать дуплексный режим работы уровня LLC с полудуплексным режимом работы физического уровня. Для этого он буферизует кадры с тем, чтобы при получении доступа к среде передать их по назначению.

Для доступа к разделяемой среде в локальных сетях используется два типа методов доступа:

методы случайного доступа,

методы маркерного доступа.

Особенностью всех методов доступа к передающей среде, используемых в локальных сетях, является распределенный характер механизма их реализации, то есть в решении этой задачи участвуют все компьютеры на равных (или почти равных) основаниях. Такая децентрализация делает работу сети более надежной.

Методы случайного доступа основаны на том, что каждая станция сети пытается получить доступ к среде в тот момент времени, когда ей это становится необходимым. Если среда уже занята, то станция повторяет попытки доступа до тех пор, пока очередная попытка не окажется успешной. Хотя принцип случайного доступа допускает различные реализации, широко используется только метод случайного доступа технологии Ethernet.

Методы маркерного доступа основаны на детерминированной передаче от одного узла сети другому специального кадра информации - маркера (токена) доступа. Маркерные методы доступа используются в сетях Token Ring, ArcNet и FDDI. В таких сетях право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу.

Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

Функции канального уровня реализуются установленными в компьютерах сетевыми адаптерами и соответствующими им драйверами, а также различным коммуникационным оборудованием: мостами, коммутаторами, маршрутизаторами, шлюзами. В зависимости от того, какой протокол реализует сетевой адаптер, адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т.д. Аналогично, коммутаторы, мосты и маршрутизаторы могут иметь порты, поддерживающие различные канальные протоколы.

Все эти устройства могут выполнять следующие действия:

Формирование кадра - включает размещение данных, поступивших с верхнего уровня, в поле данных кадра, а также формирование заголовка, то есть определение и занесение в соответствующие поля кадра контрольной суммы, MAC-адресов отправителя и получателя, отметки о типе протокола верхнего уровня, пакет которого упакован в поле данных кадра, и возможно, некоторой, другой информации. Кадры могут быть информационными, содержащими данные конечных пользователей (они формируются в компьютерах) и служебными, источником которых может быть любое устройство, использующее канальный уровень. Служебные кадры формируются, например, маршрутизаторами при обмене маршрутной информацией, компьютерами при объявлении выполняемых ими сервисов.

Анализ заголовка кадра и обработка кадра на основании результатов проведенного анализа могут заключаться, например, в уничтожении кадра при несовпадении контрольной суммы, в принятии решения о передаче кадра в сеть при несовпадении адреса назначения с адресом данного узла и т.п.

Прием кадра из сети и отправка кадра в сеть, прежде всего, связаны с получением доступа к передающей среде, эта процедура единообразным образом выполняется всеми устройствами сети, построенной с использованием общей базовой сетевой технологии. Как правило, принимаемые кадры помещаются в буфер, а при отправке - выбираются из буфера.

2.3 Согласование типа и размера кадров в составных сетях

Ниже приведены различные форматы кадров технологии Ethernet:

кадр стандарта 802.3 (или кадр Novell 802.2);

кадр Novell 802.3 (или кадр Raw 802.3);

кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);

кадр Ethernet SNAP.

Кадр стандарта 802.3 содержит восемь полей, определяемых следующим образом (рисунок 4):

Преамбула	НО	АП	АО	Длина поля данных	Поле данных	Поле заполнения	CRC

Рисунок 4 - Формат кадра стандарта 802.3

Поле преамбулы состоит из семи байтов синхронизирующих данных. Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов - 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом. Преамбула используется для того, чтобы дать время и возможность схемам приемопередатчиков (transceiver) прийти в устойчивый синхронизм с принимаемыми тактовыми сигналами.

Начальный ограничитель (НО) кадра состоит из одного байта с набором битов 10101011. Появление этой комбинации является указанием на предстоящий прием кадра.

Адрес получателя (АП) - может быть длиной 2 или 6 байтов (MAC-адрес получателя). Первый бит адреса получателя - это признак того, является адрес индивидуальным или групповым: если 0, то адрес указывает на определенную станцию, если 1, то это групповой адрес нескольких (возможно, всех) станций сети. При широковещательной адресации все биты поля адреса устанавливаются в 1. Общепринятым является использование 6-байтовых адресов.

Адрес отправителя (АО) - 2-х или 6-ти байтовое поле, содержащее адрес станции отправителя. Первый бит - всегда имеет значение 0.

Двухбайтовое поле длины определяет длину поля данных в кадре.

Поле данных может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимально допустимой длины.

Поле заполнения состоит из такого количества байтов заполнителей, которое обеспечивает определенную минимальную длину поля данных (46 байт). Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется.

Поле контрольной суммы (CRC)- 4 байта, содержащие значение, которое вычисляется по определенному алгоритму (полиному CRC-32). После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр.

Кадр 802.3 является кадром MAС-подуровня, и в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. Служебный заголовок кадра LLC имеет три поля: точка входа в сервис назначения (Destination Service Access Point, DSAP), точка входа в сервис источника (Source Service Access Point, SSAP) и поле управления. Первые два поля могут использоваться для характеризации протоколов верхнего уровня, данные которых представлены в поле данных кадра LLC. Поле управления используется для реализации процедуры установления соединения на канальном уровне, но оно редко используется в протоколах локальных сетей. Результирующий кадр MAC/LLC изображен в левой части рисунка 5. Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 байта, то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 байт.

Рисунок 5 - Результирующий кадр MAC/LLC

Справа на этом рисунке приведен кадр, который называют кадром Raw 802.3, (есть "грубый" вариант 802.3) или же кадром Novell 802.3. Из рисунка видно, что это кадр MAC-подуровня стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC. Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных - там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в ОС NetWare.

Теперь, когда необходимость идентификации протокола верхнего уровня появилась, компания Novell стала использовать возможность инкапсуляции в кадр MAC-подуровня кадра LLC. Такой кадр компания обозначает теперь в своих операционных системах как кадр 802.2.

Кадр стандарта Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, отличается от кадра Raw 802.3 тем, что на месте поля длины в нем определено поле типа протокола (поле Type). Это поле предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC - для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра. Для кодирования типа протокола используются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500, поэтому кадры Ethernet II и 802.3 легко различимы.

Еще одним популярным форматом кадра является кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP определен в стандарте 802.2H и представляет собой расширение кадра 802.3 путем введения дополнительного поля идентификатора организации, которое может использоваться для ограничения доступа к сети компьютеров других организаций. Кроме этого, кадр Ethernet SNAP содержит поле типа протокола верхнего уровня, аналогичное полю Type кадра Ethernet II.

Различия в форматах кадров технологии Ethernet могут иногда приводить к несовместимости аппаратуры, рассчитанной на работу только с одним стандартом. В настоящее время большинство сетевых адаптеров, мостов и маршрутизаторов умеет работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet, производя их автоматическое детектирование по характерным значениям некоторых полей.

В сетях Token Ring и FDDI всегда используются кадры стандартного формата, поэтому в этих сетях не возникают проблемы, связанные с несовместимостью форматов кадров.

2.4 Использование единого сетевого протокола в маршрутизаторах

Сетевой уровень в вычислительных сетях служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами.

Мосты и коммутаторы, описанные в предыдущих разделах, представляют собой хорошее средство для построения структурированных сетей, но их возможности ограничиваются в основном соединением фрагментов сетей одной или близких технологий. Соединение таких разнородных сетей, как X.25 и Ethernet становится неразрешимой задачей для моста из-за самого принципа его работы, так как для передачи пакетов через сеть X.25 ему необходимо выполнить ряд несвойственных для прозрачного моста операций, например, операцию преобразования пакетов Ethernet с максимальным размером поля данных в 1500 байтов в 128-байтовые пакеты X.25.

Основная идея введения сетевого уровня состоит в том, чтобы оставить технологии, используемые в объединяемых сетях в неизменном в виде, но добавить в кадры всех сетей дополнительную информацию - заголовок сетевого уровня, который позволил бы находить на основании этой информации адресата в сети любого типа. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня тех сетей, которые могут входить в интерсеть.

Основным полем заголовка сетевого уровня является номер сети-адресата. В рассмотренных нами ранее протоколах локальных сетей такого поля в кадрах предусмотрено не было - предполагалось, 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.

Прежде чем приступить к рассмотрению межсетевого взаимодействия, уточним, что здесь понимается под термином "сеть". Этот термин может употребляться в широком смысле: "сеть - это совокупность связанных между собой компьютеров".

При определении стратегий межсетевого взаимодействия понятие "сеть" использовалось в более узком смысле: "сеть - это совокупность компьютеров, использующих для взаимодействия один и тот же стек протоколов".

В протоколах сетевого уровня термин "сеть" определяется следующим образом: "сеть - это совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий - шина, звезда, кольцо - и использующих для передачи кадров между собой протокол, специально разработанный для этой топологии".

Кроме номера сети, заголовок сетевого уровня должен содержать 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 пакетов,

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

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

информация о загруженности сетей, также помогающая согласовать темп посылки пакетов в сеть конечными узлами с реальными возможностями сетей 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.



Рисунок 6 - Гипотетическая интерсеть IS N - промежуточная система/шлюз/маршрутизатор N; ESNn - конечная система/узел/хост n

На рисунке 6. приведена гипотетическая интерсеть, иллюстрирующая идею использования сетевого протокола. Интерсеть состоит из 6 сетей, к каждой из которых присоединены ее узлы, которые в соответствии с терминологией ISO называются конечными системами - ES (End System). Терминология ISO здесь используется для удобства, так как сети разных типов используют различные термины для обозначения одних и тех же понятий, что вносит путаницу при рассмотрении механизма межсетевого взаимодействия с общих позиций. Внутренняя структура каждой сети не показана, так как она не имеет значения при рассмотрении сетевого протокола. Сети соединяются маршрутизаторами, которые ISO называет промежуточными системами - IS (Intermediate System). Каждая промежуточная система присоединена к нескольким сетям (по крайней мере, к двум) и имеет в каждой такой сети локальный адрес, как и остальные конечные системы этой сети. Таким образом, каждый маршрутизатор имеет несколько локальных адресов, по числу сетей, подключенных к нему. Обычно каждый локальный адрес связан с соответствующим портом маршрутизатора. Промежуточная система должна поддерживать все протоколы, используемые в каждой из сетей, к которым она непосредственно присоединена.

Узел ES также обязан принимать участие в работе протокола сетевого уровня. Именно конечный узел формирует заголовок сетевого уровня с необходимой информацией, в том числе и адресом сети назначения, и вкладывает его в кадр протокола своей сети, который для локальных сетей является протоколом канального уровня, таким как Ethernet или Token Ring. В заголовке канального уровня конечный узел указывает локальный адрес маршрутизатора, подключенного к его сети, и отправляет ему кадр, с вложенным пакетом сетевого уровня (если на канальном уровне протокольные блоки данных чаще называются кадрами, то на сетевом - пакетами).

Маршрутизатор, получив кадр, извлекает из него заголовок сетевого уровня и решает, каким маршрутом лучше отправить этот пакет далее, если сеть назначения не подключена к нему непосредственно. Принятие решения о маршруте для него равнозначно принятию решения о выборе следующего маршрутизатора. Когда выбор сделан, маршрутизатор упаковывает пакет в кадр сети, которая связывает его со следующим выбранным маршрутизатором, указывает в кадре локальный адрес этого маршрутизатора и отправляет кадр по сети. В конце концов пакет приходит в сеть назначения, где маршрутизатор направляет его в соответствии с локальным адресом узлу назначения.

Важным вопросом является схема адресации узлов в отдельных сетях. В принципе описанный подход не требует наличия уникальных адресов и единой схемы адресации для внутрисетевой доставки пакета. После того как пакет доставлен в нужную сеть с помощью использования ее уникального номера, доставка в пределах этой сети осуществляется по ее правилам, и адрес узла внутри этой сети может быть традиционного для нее формата. Однако различия в форматах адресов узлов не очень удобны для реализации сетевого протокола, так как адрес узла назначения необходимо поместить в заголовок сетевого уровня. В заголовке канального уровня в случае пути, проходящего через несколько сетей, указывается локальный адрес маршрутизатора, который должен передать пакет в другую сеть. Поэтому в некоторых сетевых протоколах, например IP, поле локального адреса в заголовке сетевого уровня имеет специальный формат, не зависящий от форматов локального адреса в составляющих сетях. Другие же сетевые протоколы, например IPX, используют в качестве адреса узла в сетевом заголовке тот формат локального адреса, который принят в сети, содержащей этот адрес. Это ограничивает использование протокола IPX только такими сетями, адрес которых умещается в отведенные ему 6 байтах.

Маршрутизатор выбирает маршрут на основании его представления о текущей конфигурации сети и принятого 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 это не так, там принимается в расчет и время передачи пакета по каждой линии связи).

В сложных составных сетях почти всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Так, в нашем примере для передачи пакетов от узла ES 1.1 сети 1 узлу ES 5.1 сети 5 существует несколько альтернативных маршрутов, из которых наиболее очевидными представляются:

ES1.1 --> IS3 --> СЕТЬ 3 --> IS 6 --> СЕТЬ 5 --> ES5.1

ES1.1 --> IS4 --> СЕТЬ 6 --> IS 8 --> СЕТЬ 5 --> ES5.1

ES1.1 --> IS1 --> СЕТЬ 2 --> IS 2 --> СЕТЬ 4 --> IS 10 --> СЕТЬ 5 --> ES5.1,

Если считать, что все маршрутизаторы и сети работоспособны и производительность и надежность сетей и связей между узлами одинакова.

Хотя можно достаточно просто определить несколько возможных маршрутов, просто рассмотрев топологию интерсети.

Существует большое количество протоколов сетевого уровня, каждый из которых по-своему отвечает на эти вопросы.

Протоколы сетевого уровня делятся на три класса. Протоколы первого класса так и называют протоколами сетевого уровня. Эти протоколы (например, IP, IPX, AppleTalk) переносят пользовательские данные вместе со служебным заголовком сетевого уровня, который включает информацию об адресе сети и узла, а также некоторую дополнительную информацию, описанную выше.

Протоколы второго класса называют протоколами маршрутизации, они выполняют служебные функции для маршрутизаторов - переносят в своих блоках данных информацию о топологии связей интерсети. С помощью этих протоколов маршрутизаторы составляют карту связей сети той или иной степени подробности и принимают решение о том, какому следующему маршрутизатору нужно передать пакет для образования рационального пути. Примерами таких протоколов являются протоколы IPX RIP, IP RIP, EGP, BGP, OSPF, IS-IS. Служебная информация протоколов маршрутизации, иногда называемых также протоколами обмена маршрутной информацией, хранится в поле данных пакета сетевого уровня и имеет еще и свой собственный служебный заголовок, 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 отдельных сетей нужному адресату через разнородную составную сеть.

Протоколы третьего класса отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Очевидно, что они нужны только в случае, если сетевой протокол использует в своих заголовках адреса конечных узлов, отличные от локальных (например, так делает протокол IP). Если же на сетевом уровне используются локальные адреса, то надобность в протоколах этого класса отпадает. 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.

Использование независимой от канального уровня схемы адресации узлов на сетевом уровне дает возможность протоколу сетевого уровня работать поверх практически любых протоколов канального уровня. Именно такая схема адресации является одной из причин большой гибкости протокола IP, что выгодно отличает его от протокола IPX. Протокол IPX использует в качестве адреса узла копию МАС-адреса, поэтому может работать только поверх протоколов канального уровня локальных сетей.