Протоколы компьютерных сетей и сетевые операционные системы

2.5 Поддержка маршрутизаторами различных базовых технологий

Перечень поддерживаемых базовых технологий - одна из важнейших характеристик маршрутизаторов, так как чем шире этот перечень, тем больше различных задач по преодолению транспортной неоднородности сети может решить данный маршрутизатор.

Для локальных сетей этот перечень определяется набором интерфейсов, поддерживаемых маршрутизатором. Для портов локальной сети понятие "интерфейс маршрутизатора" включает как физический, так и канальный протокол как неразрывное целое, описывающее базовую технологию. Обычно модульный маршрутизатор на основе шасси имеет в номенклатуре интерфейсных модулей модули для сетей Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN и ATM.

Для глобальных сетей перечень включает два списка - набор интерфейсов физического уровня для связи с аппаратурой передачи данных (модемами, устройствами CSU/DSU или терминальными адаптерами ISDN), а также набор протоколов канального и, может быть, сетевого уровня, необходимых для подключения к глобальным сетям с коммутацией каналов и пакетов (набор этих протоколов часто называется глобальным сервисом). Для глобальных сетей интерфейс не связан жестко с базовой технологией, так как один и тот же протокол физического уровня, например RS-232, может использоваться с различной аппаратурой передачи данных и различными протоколами канального и сетевого уровня.

Обычно в современных маршрутизаторах для организации глобальных связей поддерживаются интерфейсы последовательных линий (serial lines) RS-232, RS-449/422, V.35 (для передачи данных со скоростями до 2 - 6 Мб/с), высокоскоростной интерфейс HSSI, обеспечивающий скорость до 52 Мб/с, а также интерфейс G.703 для непосредственной связи с цифровыми глобальными каналами T1/E1, T3/E3 и интерфейсы BRI и PRI сетей ISDN. Наличие интерфейсов G.703 и BRI/PRI говорит о том, что маршрутизаторы включают аппаратуру передачи данных цифровых каналов T1/E1 или сетей ISDN соответственно.

В набор поддерживаемых глобальных сервисов обычно входят сервисы сетей X.25, frame relay, ISDN и коммутируемых аналоговых телефонных сетей, сетей ATM, а также поддержка протокола канального уровня PPP.

При реализации большого набора различных интерфейсов и протоколов базовых технологий маршрутизаторы могут объединять сети с самыми разнообразными транспортными протоколами, как это показано на рисунке 7. Единственным требованием при этом остается наличие общего сетевого протокола во всех взаимодействующих узлах согласуемых сетей.



Рисунок 7 - Упрощенная схема использования маршрутизаторов различных типов сети соответствующим образом

Контрольные вопросы

Как конечный узел может узнать локальный адрес маршрутизатора или маршрутизаторов, присоединенных к его сети?

Как маршрутизатор может определить локальные адреса конечных узлов, присоединенных к его сетям?

Каким образом конечный узел может выбрать подходящий маршрутизатор в своей сети для отправки пакета через интерсеть, если таких маршрутизаторов несколько?

Каким образом маршрутизатор может узнать локальные адреса других маршрутизаторов, присоединенных к его сетям?

Каким образом маршрутизатор выбирает следующий маршрутизатор при выборе рационального маршрута пакета?

Назовите функции протоколов канального уровня.

Назовите примеры протоколов канального уровня для локальной сети.

Назовите протоколы типа "точка-точка" канального уровня в глобальной сети.

На какие два подуровня разделяется канальный уровень в локальной сети, их назначение?

Поясните, в чем заключается случайный метод доступа к среде передачи.

Поясните, в чем заключается маркерный метод доступа к среде передачи.

Какую информацию должен содержать заголовок кадра канального уровня для успешной передачи данных в пределах одной локальной сети?

Какую информацию должен содержать заголовок пакета сетевого уровня для успешного перехода из сети одного типа в сеть другого типа?

Раздел 3. Протоколы канального уровня

Канальный уровень для каждой топологии сети имеет свои правила работы - протоколы. Если физический уровень не касается вопросов, какой компьютер и когда может использовать кабель линии связи, для него важно просто обеспечить качественную доставку от узла к узлу. На канальном уровне происходит "борьба за кабель", за доставку информации к нужному узлу сети, он занимается проблемами взаимодействия станций друг с другом, обеспечением гарантии доставки пакета информации к станции в любой из используемой топологии сети.

Протоколы канального уровня должны обеспечивать взаимосвязь между сетевым и физическим уровнями, предоставляя сетевому уровню более широкий набор услуг по сравнению с физическим. Основной задачей канального уровня является передача некоторых завершенных блоков данных или кадров.

Канальный уровень обеспечивает синхронизацию между приемником и передатчиком на уровне кадров.

В обязанности приемника входит распознавание начала первого байта кадра, распознавание границ полей кадра и распознавание признака окончания кадра. Обычно достаточно обеспечить синхронизацию на указанных двух уровнях - битовом и кадровом, - чтобы передатчик и приемник смогли обеспечить устойчивый обмен информацией. Однако при плохом качестве линии связи (обычно это относится к телефонным коммутируемым каналам) для удешевления аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синхронизации на уровне байт.

Такой режим работы называется асинхронным или старт-стопным. В асинхронном режиме каждый байт данных сопровождается специальными сигналами "старт" и "стоп".

Назначение этих сигналов состоит в том, чтобы, во-первых, известить приемник о приходе данных и, во-вторых, чтобы дать приемнику достаточно времени для выполнения некоторых функций, связанных с синхронизацией, до поступления, следующего байта. Сигнал "старт" имеет продолжительность в один тактовый интервал, а сигнал "стоп" может длиться один, полтора или два такта, поэтому говорят, что используется один, полтора или два бита в качестве стопового сигнала, хотя пользовательские биты эти сигналы не представляют. Асинхронным такой режим называется потому, что каждый байт может быть несколько смещен во времени относительно побитовых тактов предыдущего байта. Такая асинхронность передачи байт не влияет на корректность принимаемых данных, так как в начале каждого байта происходит дополнительная синхронизация приемника с источником за счет битов "старт".

Синхронная передача. При синхронном режиме передачи старт-стопные биты между каждой парой байт отсутствуют. Пользовательские данные собираются в кадр, впереди каждого кадра ставят специальные байты синхронизации. Байт синхронизации - это байт, содержащий заранее известный код, например 0111110, который оповещает приемник о приходе кадра данных. При его получении приемник должен войти в байтовый синхронизм с передатчиком, то есть правильно понимать начало очередного байта кадра. Иногда применяется несколько синхробайт для обеспечения более надежной синхронизации приемника и передатчика.

Асинхронные протоколы оперируют не с кадрами, а с отдельными символами, которые представлены байтами со старт - стоповыми символами.

В синхронных протоколах между пересылаемыми символами (байтами) нет стартовых и стоповых сигналов, поэтому отдельные символы в этих протоколах пересылать нельзя. Все обмены данными осуществляются кадрами, которые имеют в общем случае заголовок, поле данных и концевик.

Все биты кадра передаются непрерывным синхронным потоком, что значительно ускоряет передачу данных. Так как байты в этих протоколах не отделяются друг от друга служебными сигналами, то одной из первых задач приемника является распознавание границы байтов.

Синхронные протоколы канального уровня бывают двух типов:

Символьно - ориентированные (байт-ориентированные);

бит-ориентированные.

Для обоих характерны одни и те же методы синхронизации бит. Главное различие между ними заключается в методе синхронизации символов и кадров.

Символьно - ориентированные протоколы используются в основном для передачи блоков отображаемых символов, например текстовых файлов.

При символьно-ориентированном методе каждый передаваемый кадр состоит из произвольного числа 7- или 8-битных символов, которые передаются как непрерывная последовательность битов без каких-либо задержек между ними. Поэтому приемное устройство, достигнув тактового (битового) синхронизма, должно быть в состоянии:

обнаруживать начало и конец каждого символа - посимвольный синхронизм;

обнаруживать начало и конец каждого полного кадра - по -кадровый синхронизм.

Для достижения этого был предложен ряд схем, главной целью которых было обеспечение процесса синхронизации, не зависящего от фактического содержимого кадра. Такой тип синхронизации называют прозрачным по отношению к содержимому кадра, или информационно-прозрачным.

При бит- ориентированном методе любой передаваемый кадр может содержать произвольное число битов, не обязательно кратное 8. Флаги, указывающие начало и конец кадра, имеют одинаковое значение. Следовательно, для достижения прозрачности данных требуется, чтобы в содержимом кадра последовательность, отображающая флаг, отсутствовала. Это достигается с помощью метода, называемого вставкой нулевых битов или битстаффингом. По мере подачи битов на линию передатчик проверяет передаваемую последовательность и, если обнаруживает в ней пять подряд идущих единиц, тут же вставляет после них нуль. Таким образом, между начальным и замыкающим флагами никогда не встретится цепочка 01111110, образующая флаг. Аналогичным образом приемник после обнаружения начального флага следит за потоком поступающих битов и, обнаружив в нем пять подряд идущих единиц, за которыми следует нуль, удаляет этот нуль. Как и при байт-ориентированном методе, в конце каждого кадра обычно вводятся биты обнаружения ошибок, но добавляемые и исключаемые нулевые разряды не используются в процессе обнаружения ошибок.

3.1 Протокол SLIP

Первым стандартом канального уровня, обеспечивающим работу терминалов пользователей (TCP/IP) по линиям связи, реализующих последовательную передачу символов, стал протокол SLIP (Serial Line Internet Protocol - протокол Internet для последовательного канала).

Ввиду функциональной простоты, SLIP использовался и используется в основном на коммутируемых линиях связи, которые не характерны для ответственных и скоростных сетевых соединений. Тем не менее, коммутируемый канал отличается от некоммутируемого только более низким качеством и необходимостью выполнять процедуру вызова абонента, поэтому SLIP вполне применим и на выделенных каналах.

Протокол SLIP выполняет единственную функцию - он позволяет в потоке бит, которые поступают по выделенному (или коммутируемому) каналу, распознать начало и конец IP-пакета. Помимо протокола IP, другие протоколы сетевого уровня SLIP не поддерживает.

Протокол SLIP характеризуется тем, что он обеспечивает возможность подключаться к сети INTERNET через стандартный интерфейс RS-232, имеющийся в большинстве компьютеров. В настоящее время SLIP широко используется в оконечных компьютерах, подключенных к линиям связи, которые имеют пропускную способность 1, 2…28,8 Кбит/с.

Псевдоструктура протокола SLIP (логическая характеристика протокола). По сути, кадр SLIP структуры не имеет, он только предусматривает разграничение последовательно передаваемых пакетов IP (пакеты сетевого уровня) и тем самым обеспечивает синхронный ввод пакетов в канал связи (физический уровень). Для этого в протоколе SLIP используется специальный символ “END” (рисунок 7), значение которого в шестнадцатеричном представлении равно “С0” (11000000). В случае если в пакете IP имеется байт, тождественный символу “END”, то он заменяется двухбайтовой последовательностью, состоящей из специальных символов “ESC”(“DB”-11011011) и “DC” (11011100). Применяемый в протоколе SLIP символ “ESC” не равен символу “ESC” в коде ASCII, поэтому обозначают его “SLIP ESC”. Если же байт данных тождествен символу “SLIP ESC”, то он заменяется двухбайтовой последовательностью, состоящей из собственно символа “SLIP ESC” и символа “DD” (11011101). После последнего байта пакета IP передается символ “END”.

Механизм формирования кадра показан на рисунке 8, здесь приведены стандартный пакет IP, один байт которого тождествен символу “END”, а другой - символу “SLIP ESC”, и соответствующий ему кадр SLIP, который больше на четыре байта.

Вставка символа END перед началом кадра позволяет принимающей стороне избавиться от любого шума на линии связи. Однако такими мерами все способности SLIP определить и тем более исправить ошибки данных исчерпываются. Протокол возлагает задачу по определению и исправлению пакетов данных и сообщений полностью на вышележащие протоколы, то есть на сетевой и транспортный уровень ТСР/IP.



Рисунок 8 - Соответствие между кадром SLIP и пакетом IP

Протокол SLIP не определяет максимально допустимую длину “информационного поля” передаваемого “кадра”, однако реальный размер “вкладываемого в кадр” пакета IP не должен превышать 1006 байтов. Данное ограничение связано с первой реализацией протокола SLIP в соответствующей ОС Berkley Unix, и поэтому соблюдение его необходимо для обеспечения требуемой совместимости разных реализаций (версий) SLIP (большинство современных реализаций позволяют администратору самому установить размер пакета, а по умолчанию используют размер 1500 байт).

Популярность протокола SLIP объясняется тем, что он дал возможность подключаться к сети Internet посредством стандартного порта RS - 232, имеющегося в большинстве компьютеров. Программа управления SLIP загружается и выгружается по мере надобности. Большинство программ управления SLIP имеют возможность набирать телефонный номер провайдера. Программное обеспечение, реализующее работу с протоколом SLIP (TCP-manager), выполняет функции управления сетевым устройством, то есть является драйвером (специальная программа, управляющая сетевым устройством) сетевого устройства, такого, как модем. Можно загружать и выгружать программу управления SLIP по мере надобности. Сетевое устройство принимает IP - пакеты от программы (точнее процесса), посылающей их (от программы сетевого уровня), обкладывает своей служебной информацией и передаёт устройству последовательной передачи данных (модему, в последовательный порт и т.п.). На другом конце последовательной линии аналогичная программа принимает символы, приходящие с устройства последовательной передачи данных, освобождает от служебной информации и передаёт то, что получилось, а должны получаться при этом IP -пакеты, соответствующие программе (сетевого уровня), которая обрабатывает IP -пакеты.

Для установления связи по протоколу SLIP компьютеры должны иметь информацию об IP-адресах друг друга. Однако возможна ситуация, когда, скажем, при осуществлении соединения между хостом и маршрутизатором, последнему понадобится передать хосту информацию о его IP-адресе. В протоколе SLIP нет механизмов, дающих возможность обмениваться адресной информацией. Это один из недостатков протокола.

Соединение по протоколу SLIP- это наиболее экономичный и простой способ подключить компьютер к Интернет. SLIP можно использовать, если локальная сеть не имеет прямого доступа к Интернет или при присоединении отдельного компьютера. Для работы протокола необходимо, чтобы поставщик услуг Интернет также обеспечил протокол SLIP на своем компьютере (хосте Интернет).

Установив SLIP-соединение, компьютер превращается в узел Интернет и становится полноправным членом сети с собственным IP-адресом и именем. Все это без затрат на дополнительное оборудование. Нужен лишь компьютер и модем.

Недостатки SLIP:

Во-первых, протокол SLIP не обеспечивает обмен адресной информацией. Это ограничение не позволяет использовать SLIP для некоторых видов сетевых услуг. Например, каждый раз после установления SLIP -соединения компьютер превращается в полноправный хост Internet со своим собственным IP -адресом. Если провайдер использует динамическое присвоение IP -адресов, то при каждом новом соединении компьютер будет получать новый IP адрес. Следовательно, другие компьютеры в сети, будут вынуждены искать его под неизвестно каким адресом;

Во-вторых, отсутствие индикации типа протокола, пакет которого “вкладывается” в кадр SLIP. Поэтому через последовательную линию по протоколу SLIP можно передавать трафик лишь одного сетевого протокола - IP. Эти функции обеспечивают:

либо вышележащие протоколы, например, в стеке TCP/IP протокол IP проводит тестирование целостности пакета по заголовку IP, а один из двух транспортных протоколов (UDP или TCP) проверяет целостность всех данных по контрольным суммам. Однако в протоколе UDP не обязательно использование контрольных сумм, поэтому совместное использование UDP и SLIP нежелательно;

либо нижележащие протоколы. Поскольку для установления соединения по протоколу SLIP обычно используется модем, работающий по телефонной линии и подключенный к асинхронному, последовательному порту. Два компьютера, установившие такое соединение, обмениваются данными с паузами переменной длины. К сожалению, в телефонной линии всегда присутствуют помехи, иначе называемые шумом, поэтому модемы, подключаемые к телефонной сети, отличают данные от возможных помех, пользуясь различными параметрами связи. При использовании модема и программного обеспечения для обмена данными настраиваются определенные параметры связи, такие как скорость, размер данных, контроль четности. Для успешного взаимодействия двух модемов оба они должны быть одинаково настроены.

Но, несмотря на это, для повышения эффективности работы протоколу SLIP не помешало бы иметь собственный механизм (пусть даже простейший) коррекции ошибок.

В-третьих, в протоколе SLIP не предусмотрены процедуры обнаружения и коррекции ошибок. Эти функции обеспечивают протоколы вышележащих уровней: протокол IP проводит тестирование целостности пакета по заголовку IP, а один из двух транспортных протоколов (UDP или TCP) проверяет целостность всех данных по контрольным суммам.

Низкая пропускная способность последовательных линий связи вынуждает сокращать время передачи пакетов, уменьшая объем содержащейся в них служебной информации. Эта задача решается с помощью протокола CSLIP (Compressed SLIP).

Протокол сжатия служебной информации CSLIP (Compressed SLIP). Для повышения эффективности использования пропускной способности последовательных линий связи используются алгоритмы сжатия данных (например, за счет уменьшения объема служебной информации, содержащейся в заголовках пакетов IP). Такую задачу решает протокол CSLIP. При использовании протоколов типа TELNET для доставки одного байта данных требуется переслать 20-байтовый заголовок пакета IP и 20-байтовый заголовок пакета TCP (итого 40 байтов). Протокол CSLIP обеспечивает сжатие 40-байтового заголовка до 3 - 5 байтов. Поэтому большинство реализаций протокола SLIP поддерживают спецификацию CSLIP. Протокол сжимает только заголовки пакетов. Для увеличения эффективности линий надо либо увеличить количество данных в пакете, либо уменьшить размер заголовков. Алгоритм CSLIP концентрирует внимание на уменьшении размеров заголовков пакетов. Кроме того, протокол соблюдает требования интерактивной реакции системы. Интерактивность реакции системы - это просто ее свойство убедить пользователя в том, что все работает. Например, когда пользователь нажимает клавишу, он, вполне понятно, хочет увидеть, как введенный символ отобразится на его мониторе. Если работа сети приводит к ощутимым задержкам при передаче пакета, пользователь расценит интерактивность сети как неудовлетворительную.

Таким образом, протокол SLIP выполняет работу по выделению из последовательности передаваемых по последовательному каналу бит границ IP-пакета. Протокол не имеет механизмов передачи адресной информации, идентификации типа протокола сетевого уровня, определения и коррекции ошибок.

3.2 Протокол РРР

В конце 80-х годов сложилась ситуация, при которой использование протокола SLIP (Serial Line Internet Protocol - протокол Internet для последовательного канала) стало тормозить рост сети Internet. Протокол PPP (Point-to-Point Protocol - протокол связи “точка-точка”) был создан для решения проблем установки удаленной связи с Internet. Кроме того, протокол PPP (RFC-1661) был нужен для динамического назначения IP-адресов и обеспечения возможности использования нескольких протоколов сетевого уровня. Этот протокол обеспечивает установку соединений между маршрутизаторами и подсоединение хоста к сети как по синхронным, так и по асинхронным каналам. Установка соединений протоколом РРР между маршрутизаторами показана на рисунке 9.

PPP (Point-to-Point Protocol - протокол связи “точка-точка”) был разработан Инженерной проблемной группой Internet (IETF - Internet Engineering Task Force) как часть стека TCP/IP для передачи кадров информации по последовательным глобальным каналам связи и пришел на смену устаревшему протокол SLIP.

При разработке протокола РРР за основу был взят формат кадров HDLC и дополнен собственными полями.



Рисунок 9 - Установка соединений протоколом РРР межу маршрутизаторами

Протокол РРР является наиболее популярным среди протоколов распределенных сетей и используется чаще всех остальных, поскольку он обеспечивает проектировщику сети следующие возможности:

управление каналом данных;

назначение IP-адресов и управление ими;

мультиплексирование сетевого протокола;

установку параметров канала и тестирование качества его работы;

обнаружение ошибок;

выбор дополнительных возможностей, таких как согласование адреса сетевого уровня и необходимости сжатия данных.

В отличие от SLIP протокол РРР может работать не только с интерфейсом RS-232,но и с другими интерфейсами между ООД и АКД (RS-422, RS-423 и V.35). Протокол РРР может работать без управляющих сигналов модемов (таких, как “Request to Send, “Clear to Send”, “Data Terminal Ready”). Единственное жесткое требование, предъявляемое РРР к линии связи, - обеспечение дуплексного соединения.

Протокол РРР включает:

механизм обрамления протоколов сетевого уровня и формирование кадров для передачи по линии связи;

протокол Link Control Protocol (LCP, RFC-1471) для установления, конфигурирования и тестирования соединения на канальном уровне;

протоколы сетевого управления Network Control Protocols (NCP, RFC-1473 и RFC-1474) для установления и конфигурирования процедур передачи сообщений, поступивших из сетей, которые функционируют по различным сетевым протоколам. В настоящее время протокол РРР поддерживает, кроме протокола IP, другие протоколы, в частности протокол межсетевого обмена пакетами (Internetwork Packet Exchange,IPX) и протокол DECNet.

3.2.1 Функции РРР различных уровней

Протокол РРР использует уровневую архитектуру, как показано на рисунке 10. Его функции нижнего уровня позволяют использовать:

синхронную передающую среду, аналогичную той, которая соединяют между собой подсети цифровой сети интегрированных служб (Integrated Services Digital Neywork) “ISDN - цифровая сеть с интеграцией обслуживания;

асинхронную передающую среду, подобную той, которую используют базовые телефонные службы для установки связи через модем.

Используя свои функции верхнего уровня, протокол РРР переносит пакеты из нескольких протоколов сетевого уровня в NCP. Эти протоколы верхнего уровня включают в себя:

ВСР-протокол управления мостом (Bridge Control Protocol);

IPCP - протокол управления работой в Internet (Internet Protocol Control Protocol);

IPXCP - протокол управления межсетевым обменом пакетов (Internetwork Packet Exchange Control Protocol).

Стандартизированные коды этих протоколов вводятся в функциональное поле для указания типа протокола, который РРР будет использовать для инкапсуляции данных.



Рисунок 10 - Уровневая архитектура протокола РРР

3.2.2 Логическая характеристика протокола

Формат кадра протокола РРР аналогичен формату кадра HDLC и включает:

Флаг. Указывает на начало и конец кадра и представляет собой двоичную последовательность 01111110.

Поле “Адрес”. Состоит из стандартных широковещательных адресов, представляющих собой двоичную последовательность, состоящую из всех единиц (11111111).

Поле “Управление”. Один байт, содержащий последовательность двоичных чисел 00000011, которая вызывает передачу данных пользователя, находящихся в неупорядоченном кадре. При этом обеспечивается канальная связь без установки соединения.

Поле “Протокол”. Два байта, значение которых определяется типом пакета, содержащегося в поле “Информация”.

Поле “Информация”. Ноль или больше байтов, которые содержат дейтаграмму протокола, указанного в поле протокола. Конец поля “Информация” устанавливается путем поиска последовательности закрывающего флага и выделения 2 байтов для контрольной последовательности кадра. По умолчанию максимальная длина поля равна 1500 байтов.

Поле “Контрольная сумма”. Обычно состоит из 16 битов (2 байта). Относится к дополнительным символам, добавляемым к кадру для обнаружения ошибок.

Формат кадра РРР показан на рисунке 11.

Рисунок 11- Формат кадра РРР

Если биты кадра РРР передаются последовательно, тогда, в случае появления между флагами последовательностей из пяти идущих подряд бит “1”, после каждой такой последовательности вставляется “0”-й бит, чтобы избежать имитации комбинации “флаг”. На приемной стороне в конце “0”-е биты отбрасываются.

Если кадр РРР передается через физический интерфейс параллельно (блоками с числом битов, кратным 8, с целью обеспечения цикловой синхронизации), тогда, в случае появления между “флагами” байтов со значениями “7Е”, “7D” (значения символа “ESC”) и значениями “ХХ”, меньшими 20 (значения управляющих символов кода АSCII), происходят следующие замены:

байт “7Е” заменяется на “7D”, “5E”;

байт “7D” - “7D”, “5D”;

байты “ХХ” со значениями, меньшими 20, - “ХХ”, “01”.

3.2.3 Процедурная характеристика протокола

Рассмотрим упрощенный механизм функционирования РРР, который приведен на рисунке 12.

Начальная фаза начинает и заканчивает процесс связи. В случае появления внешнего события (например, готовность аппаратного обеспечения осуществить связь) будет инициирована фаза установления соединения, в течение которой происходит согласование различных параметров соединения (обмен кадрами LCP). В случае невозможности установления соединения процесс прервется и протокол перейдет в состояние начальной фазы. Если же все необходимые параметры согласованы, будет инициирована фаза аутентификации, в течение которой проводится проверка на подлинность участников сеанса связи (если таковая требуется). В случае неудачной аутентификации процесс соединения перейдет в фазу разъединения, подготавливающую разрыв соединения. Если же фаза аутентификации прошла успешно, протокол переходит к фазе передачи данных. В этой фазе осуществляется обмен данными. В фазе разъединения (используется по окончании передачи кадров или в случае возникновения каких либо ошибок) прерывается передача кадров и протокол РРР переходит в состояние начальной фазы.

Рисунок 12.- Блок-схема алгоритма функционирования протокола РРР

3.2.4 Установка сеанса связи по протоколу РРР

Протокол РРР предоставляет средства для установки, конфигурирования, поддержки и прекращения работы соединения типа “точка-точка”. При установке связи по каналу типа “точка-точка” последовательно проходятся следующие четыре различных стадии:

Создание канала и согласование конфигурации. Первичный узел протокола РРР посылает LCP-кадры для конфигурирования и тестирования канала передачи данных.

Проверка качества работы канала. Канал устанавливается, и согласовываются его параметры. Отметим, что эта стадия не является обязательной.

Согласование конфигурации протокола сетевого уровня. Первичный узел протокола РРР рассылает NCP-кадры для выбора и установки конфигурации протоколов сетевого уровня, таких как TCP/IP, Novell IPX и Apple Taik. Только после этого могут пересылаться пакеты указанных протоколов сетевого уровня.

Окончание работы канала. Конфигурация канала связи сохраняется до тех пор, пока LCP- или NCP-кадры не закроют канал, или до какого-либо внешнего события (например, истечения времени таймера простоя или вмешательства пользователя).

Используются три типа LCP-кадров:

Кадры установки канала связи. Используются для создания и конфигурирования канала.

Кадры закрытия канала. Используются для прекращения работы канала.

Кадры поддержки работы канала. Используются для отладки канала и для управления им.

LCP-кадры используются на всех четырех стадиях работы протокола LCP.

Стадия 1.Создание канала и согласование конфигурации. На этой стадии каждое устройство РРР рассылает LCP-кадры для конфигурирования и тестирования канала связи. Пакеты LCP содержат поле дополнительных параметров конфигурации, которое позволяет согласовать использование опций, таких как максимальная величина принимаемого модуля, сжатие некоторых полей РРР или протокол аутентификации канала. Если в пакет LCP не включена некоторая опция конфигурации, то для нее принимается значение по умолчанию.

До передачи дейтаграмм сетевого уровня (например, IP-дейтаграмм), протокол LCP должен установить связь и согласовать параметры конфигурации. Эта стадия заканчивается после отправки кадра запроса на подтверждение конфигурации и получения соответствующего ответа.

Стадия 2. Проверка качества работы канала. Протокол LCP позволяет выполнять необязательную проверку качества работы канала после его создания и согласования параметров конфигурации. На этой стадии канал тестируется с целью выяснения, обеспечивает ли он достаточное качество для работы протоколов сетевого уровня.

Кроме того, после установки связи и принятия решения о протоколе аутентификации можно проверить подлинность клиента или рабочей станции. Проверка подлинности, если она выполняется, происходит до того, как начнется настройка параметров протоколов сетевого уровня до окончания этой стадии.

РРР поддерживает два протокола аутентификации: РАР и СНАР. Оба эти протокола подробно описаны в спецификации RFC 1334.

Стадия 3. Согласование конфигурации протокола сетевого уровня. После того как протокол LCP заканчивает проверку качества работы канала, протоколы сетевого уровня могут быть отдельно сконфигурированы соответствующими NCP-кадрами и включены или выключены в любой момент времени.

На этой стадии устройства РРР рассылают пакеты NCP для выбора и конфигурирования одного или нескольких протоколов сетевого уровня (таких как IP). После того как установлены параметры конфигурации всех выбранных протоколов сетевого уровня, от каждого из них по каналу могут быть отправлены дейтаграммы. Если LCP закрывает какой-либо из каналов, то об этом информируются все остальные протоколы сетевого уровня, которые могут в этом случае предпринять соответствующие действия. После того как произведена настройка параметров протокола РРР, проверка состояния LCP и NCP может быть выполнена с помощью команды show interfaces.

Стадия 4. Закрытие канала. Протокол LCP может закрыть канал в любое время. Обычно это делается по запросу пользователя, но может также произойти вследствие некоторого физического события, например, в связи с повреждением носителя или истечением заданного промежутка времени.

3.2.5 Преимущества РРР

По сравнению с протоколом SLIP протокол РРР является значительно более развитым инструментом и имеет следующие преимущества:

возможность одновременной работы с различными сетевыми протоколами, а не только с IP;

проверка целостности данных;

поддержка динамического обмена адресами IP;

возможность сжатия заголовков пакетов IP и ТСР с помощью алгоритмов, механизм которых похож на реализованный в протоколе CSLIP.

Контрольные вопросы

Назначение протокола.

Основная задача канального уровня.

Какой режим работы называется асинхронным.

Какой режим работы называется старт- стопным?

Принцип синхронной передачи.

В чем суть символьно-ориентированного метода?

В чем суть бит- ориентированного метода?

Чем характеризуется протокола SLIP?

Функция протокола SLIP.

Поясните механизм формирования кадра SLIP.

Поясните соответствие между кадром SLIP и пакетом IP.

Недостатки SLIP.

Какую задачу решает протокол CSLIP?

Назначение протокола РРР и для чего он был разработан?

Функции протокола РРР различных уровней.

Поясните логическую характеристику протокола РРР.

Поясните процедурную характеристику протокола РРР.

Назначение флагов в формате протокола РРР.

Максимальная длина поля «Информация» в формате протокола РРР.

Если кадр РРР передается через физический интерфейс, тогда, в случае появления между “флагами” байтов со значениями “7Е”, “7D и значениями “ХХ”, меньшими 20, какие происходят замены?

Назначение LCP-кадров.

Раздел 4. Протокол управления каналом

В рамках архитектуры открытых систем на канальный уровень возлагается функция управления каналом, которая обеспечивает возможности контроля за функционированием канала, выявление отказов, восстановление, сбор статистики о работе канала. Функция управления каналом реализуется протоколом управления каналом данных высокого уровня HDLC и протоколом ретрансляции фреймов.

4.1 Протокол HDLC

Протокол HDLC (High-level Data Link Control - высокоуровневый протокол управления каналом), разработанный Международной организацией по стандартизации (ISO). HDLC, описывает метод инкапсуляции в каналах синхронной последовательной связи с использованием символов кадров и контрольных сумм. HDLC является ISO-стандартом, реализации которого различными поставщиками могут быть несовместимы между собой по причине различий в способах его реализации, и поэтому этот стандарт не является общепринятым для глобальных сетей. Протокол HDLC поддерживает как двухточечную, так и многоточечную конфигурации.

Этот протокол обеспечивает передачу последовательности пакетов через физический канал, искажения в котором вызывают ошибки в передаваемых данных, потерю, дублирование пакетов и нарушения порядка прибытия пакетов к адресату.

4.1.1 Формат кадра и типы кадров

Единица данных, передаваемая как целое через информационный канал, организуемый средствами управления уровня 2, называется кадром (frame). Структура кадра, используемая протоколом HDLC, представлена на рисунке 13. Кадр рассматривается как последовательность байтов (октетов), начало и конец которой отмечаются флагами - двоичными кодами “01111110”. Кадр несет в себе управляющую информацию, данные и проверочную последовательность, используемую для контроля передаваемой информации.

Этот формат кадра называют информационным. Имеется также управляющий формат, который отличается от информационного тем, что не имеет поля информации (поле данные). Для обнаружения ошибок в кадрах используется кадровая проверочная последовательность (КПП), которая содержит 16 бит. В адресном поле записывается адрес вторичной станции или направление передачи кадра по каналу.

Так как протокол HDLC был разработан для управления звеном данных общего назначения, то для начальной установки звена данных выбираются специальные режимы, из которых наиболее распространены:

режим нормального ответа (РНО);

асинхронно сбалансированный режим (АСР).

Режим нормального ответа используется в сетях, основой которых является терминал. Связь может быть как двухточечная, так и многоточечная, но в последнем случае допускается только одна главная станция (первичная, ПС), остальные являются вторичными (ВС). В этом режиме вторичная станция может начать передачу только после разрешения от первичной станции. В РНО вторичная станция не может передавать ни при каких условиях, пока не получит разрешения от первичной станции, то есть обеспечивает дуплексную передачу связи. Режим нормального ответа называется несбалансированным режимом работы. Связь может быть двухточечной или многоточечной, но в последнем случае допускается только одна главная станция.

Рисунок 13 - Структура кадра HDLC

Режим асинхронно сбалансированного ответа используется в сетях, когда обе станции имеют равные права и каждая реализует функции как первичной, так и вторичной станции. Используется главным образом для двухточечных звеньев компьютерных сетей при дуплексной передаче. В АСР общесетевая адресная информация передается в информационном поле, так как общесетевая адресация находится в ведении пакетного уровня.

От режимов РНО и АСР зависит содержимое адресного поля. Адресное поле кадра содержит адрес либо ООД, либо АПД центра коммутации пакетов. Если кадр является командным, то формируется адрес получателя, если же кадр ответный, то формируется адрес отправителя. В РНО адрес всегда относится к вторичной станции, то есть он не несет адреса принимаемой станции.

Процедуры управления канального уровня обеспечивают прозрачность канала за счет битстаффинга. Протокол HDLC является бит-ориентированным. В нем как управляющие сообщения, так и сообщения с данными переносятся в блоках стандартного формата, называемых кадрами. При передаче данных формируется проверочная последовательность битов (два октета), которая включается в кадр. При приеме кадра повторно формируется проверочная последовательность битов, которая сравнивается с принятой. Если обе совпадают, то принятый кадр считается корректным. В противном случае фиксируется искажение принятого кадра. При искажении флагов, разделяющих последовательно передаваемые кадры, два кадра сливаются в один искаженный кадр. Процедура формирования проверочных последовательностей битов при передаче и приеме гарантирует обнаружение искажений этого типа.

Для выполнения функций, возлагаемых на информационный канал, используются кадры 22 типов.

Типы кадров приведены в таблице 1.

Тип кадра указывается кодом в байте управления: информационный - значением “0” в бите 1; супервизорный - значениями битов 1…4; ненумерованный - значениями битов 1…4 и 6…8.

Ненумерованные кадры (U-кадры) используются для таких функций, как установление связи, и, следовательно, не несут никакой информации о поступлении/не поступлении кадров. Так как последняя содержится в порядковых номерах, то кадры называют ненумерованными. Ненумерованные кадры предназначены для завершения соответствующих режимов передачи пакетов и для передачи информации о результатах выполнения этих действий.

Информационные кадры служат для переноса самой информации или данных, обычно они называются I-кадрами. Кроме того, I-кадры могут использоваться в режиме АСР для извещения с прицепом, связанным с потоком I-кадров в обратном направлении. Длина информационного поля I-кадра обычно равна пакету данных.

Супервизорные кадры (S-кадры) используются для управления потоком и ошибками, поэтому они содержат порядковые номера отправлений и поступлений. Восстанавливают кадры, потерянные из-за искажений в канале. Информационного поля нет. Минимальная длина кадра может быть 6 байт.

Форматы информационного, супервизорного и ненумерованного кадров приведены на рисунке 13. Первый бит информационного кадра равен 0 - идентификатор I-кадра. В полях управления S-кадра и U-кадра комбинации 10 и 11 - признаки супервизорного и ненумерованного кадров соответственно.

В байте управления супервизорного кадра указывается тип команды ответа S:

00 - ПГ (получатель готов), то есть выдающая этот кадр станция готова к приему следующего кадра. Используется в режимах РНО и АСР;

10 - НГП (получатель не готов к приему), то есть станция временно не может принимать I-кадры и запрет остается в силе до посылки кадра ПГ. Используется в режимах РНО и АСР;

01 - ОТК (отказ). Работает только в режиме АСР и означает запрос повторной передачи всех I-кадров, начиная с того номера, где произошла ошибка.

11 - ВОТК (выборочный отказ). Для АСР позволяет запросить повторную передачу только первого I-кадра с номером N(R).

В байте управления информационного кадра указываются номера N(S) = 0, 1, …,7 и N(R) = 0, 1, …, 7 передаваемого и принимаемого кадров; в супервизорных кадрах указывается только номер N(R) принимаемого кадра.

Поле М ненумерованного кадра используется для специфического типа кадра (биты функции модификатора). Здесь записываются команды кадра:

11001 - УРНО - установить режим нормального ответа;

11100 - УАСР - установить АСР;

00010 - РЗД - разъединить;

10001 - КО - кадр отвергнут и т.д.

U-кадры позволяют установить логическую связь между первичной и вторичной станциями, установить режим функционирования между ними. Разрыв логической связи осуществляется также с помощью U-кадра.

Используя два режима нумерации кадров: нормальный - с нумерацией кадров по модулю 8, и расширенный - с нумерацией кадров по модулю 128.

В первом режиме номера кадров принимают значения 0, 1, …, 7 и представляются в полях N(S) и N(R) байта управления (рисунок 13).

Во втором режиме поле управления кадра состоит из двух байтов, а номера кадров могут принимать значения от 0 до 127. Расширенная нумерация применяется в протяженных каналах связи, в которых может находиться большое число передаваемых кадров.

Бит 5 поля управления называется битом запроса в командах и битом окончания в октетах. Когда станция получает команду с битом запроса

Р = 1, она обязана сформировать ответ с битом окончания F = 1. Информационные кадры служат для передачи пакетов, представляемых в поле данных.

Таблица 1 - Типы кадров

Тип	Наименование	Функция
1	Информационный кадр	К/О
2	Супервизорные кадры
	Готовность к приему	К/О
3	Неготовность к приему	К/О
4	Отказ	К/О
5	Селективный отказ	К/О
6	Ненумерованные кадры	К
	Установление режима нормальных ответов
7	Установление расширенного режима нормальных ответов	К
8	Установление режима асинхронных ответов	К
9	Установка расширенного режима асинхронных ответов	К
10	Установка сбалансированного асинхронного режима	К
11	Установление сбалансированного асинхронного расширенного режима	К
12	Разъединение	К
13	Установление режима инициализации	К
14	Запрос режима инициализации	О
15	Запрос передачи	К
16	Сброс	К
17	Информационный кадр	К/О
18	Обмен идентификаторами	К/О
19	Подтверждение	О
20	Режим без разъединения	О
21	Запрос разъединения	О
22	Отказ от кадра	К/О

Примечание: К - команда; О - ответ; К/О - команда или ответ.

Кроме описанных кадров протокол HDLC использует следующие ненумерованные кадры. Кадр “Ненумерованный информационный” используется для передачи кадров, защищаемых только циклическим кодом и не восстанавливаемых при потере кадра. Кадры этого типа применяются, например, при передаче изображений, когда потеря кадра, несущего в себе строку изображения, не оказывает существенного влияния на конечный результат. Кадр “Установить режим инициализации” обеспечивает повторную инициализацию канала, произведенную ранее командой “Установить режим…”. В отличие от последней кадр “Установить режим инициализации” запускает специальные процедуры, реализованные в конкретных вариантах станций. Кадр “Запрос режима инициализации” посылается вторичной станцией для запроса от первичной станции команды “Установить режим инициализации”. Команда и ответ “Обмен идентификаторами” используется для обмена между станциями информацией о реализованных в них технических возможностях. Команда “Сброс” применяется для повторной инициализации передачи потока данных. Вторичная станция запрашивает разрешение на разъединение с помощью кадра “Запрос разъединения”. Реагируя на этот кадр, первичная станция ликвидирует соединение в установленном порядке. Станция, находящаяся в режиме разъединения, не может установить соединение, передавать и принимать информацию и отвечает на поступающие команды кадром “Режим разъединения”.

4.1.2 Управление связью

Прежде чем передать какую-либо информацию (данные), между первичной станцией (ПС) и вторичной станцией (ВС) как на многоточечной линии, так и между двумя станциями, соединенными звеном данных, должно быть установлено логическое соединение. Это достигается обменом двумя ненумерованными кадрами.

При многоточечной связи сначала ПС посылает кадр УРНО (установить режим нормального ответа), в котором бит опроса равен 1, а в поле адреса стоит ее собственный адрес. Процедура установления соединения включает также инициализацию идентифицирующих переменных каждой станции. Эти переменные используются в процедурах управления ошибками и потоком. В заключение после передачи всех данных ПС прерывает связь, посылая для этого кадр РЗД (разъединить) и получая от ВС ответный кадр НИЗ (ненумерованное извещение).

Процедура установления двухточечной связи совпадает с процедурой установления связи на многоточечной линии.

4.1.3 Передача данных

В режиме РНО пересылкой всех данных (I-кадров) управляет ПС. Для опроса ВС первичная станция обычно использует кадр ненумерованного опроса, в котором бит опроса равен 1. Если у ВС нет готового для отправки кадра, то она посылает кадр ПНГ (получатель не готов), в котором бит З равен 1. Если же у нее есть готовые данные, он посылает их и, как правило, в виде цепочки I-кадров, установив, в последнем из этой цепочки кадре бит, З равным 1.

Двумя другими более важными аспектами фазы передачи данных являются управление ошибками и управление потоком. Управление ошибками реализуется в основном с помощью процедуры “Непрерывная передача - ЗПР” с использованием либо стратегии “возврат-к-N”, либо стратегии выборочной повторной передачи. Управление потоком осуществляется с помощью механизма окна.

Рассмотрим основную процедуру посылки извещений и повторных передач с использованием стратегии “возврат-к-N” (рисунок 14). Пусть поток кадров движется только в одном направлении, при этом вся извещающая информация должна возвращаться с помощью специфических извещающих супервизорных кадров. Как видно, каждая сторона связи формирует обе переменные, управляющие порядком отправлений и поступлений. Переменная V(S) задает порядковый номер N(S) следующего отправления; при этом номер N(S) помещается в I-кадр, посылаемый станцией. Переменная V(R) задает тот порядковый номер, который ожидает получатель приемная станция в ближайшем I-кадре.

Каждый супервизорный кадр типа ПГ (положительное извещение) содержит порядковый номер N(R) поступления, извещая, таким образом, о правильном поступлении всех кадров, номера которых были меньше или равны [N(R) - 1]. Аналогичным образом каждый супервизорный кадр ОТК (негативное извещение) содержит значение N(R), которое указывает, что был получен I-кадр, нарушающий порядок, и отправитель должен возобновить повторную передачу кадров, начиная с того, у которого N(S) = N(R).

Как видно из рисунка 14, порядковые номера возрастают по модулю 8. Кроме того, когда получатель обнаруживает, что кадр I (2,0), то есть последний кадр в цепочке, в котором бит О = 1, нарушает порядок, то он посылает кадр ОТК, в котором бит З равен 1. Отправитель вновь посылает кадры I(1,0) и I(2,0), причем в кадре I(2,0) бит опроса равен 1. Получатель извещает о правильном поступлении каждого кадра, установив, в последнем кадре ПГ бит, З равным 1. При выборочной повторной передаче был бы принят кадр I(2,0), но возвращен кадр ОТК, чтобы запросить повторную передачу кадра I(1,0).

Последовательность кадров на рисунке 14 характерна для типичной передачи информации по многоточечной линии в режиме РНО. В двухточечном же звене, функционирующем в режиме АСР, возможен поток кадров в обоих направлениях, и поэтому извещающие кадры, относящиеся к потоку I-кадров в одном направлении, могут быть присоединены к I-кадрам, передаваемым в другом направлении (извещение с прицепом). Процедура извещения с прицепом показана на рисунке 15.

Из полученного очередного I-кадра извлекаются содержащиеся в нем N(S) и N(R). Сначала N(S) сравнивается со значением переменной N(R) получателя; если они совпадают, то поступивший кадр не нарушил порядка и будет воспринят. В противном случае кадр будет аннулирован и возвращен кадр ОТК или ВОТК. После этого проверяется значение N(R), извещающее об одном из выделенных кадров, находящихся в списке повторных передач. Под конец, если нет больше I-кадров, ожидающих отправки, используется кадр ПГ, с помощью которого посылается извещение обо всех выделенных, еще не получивших извещения кадрах, находящихся в списке повторных передач.

Управление потоком особенно важно при одновременной передаче в обоих направлениях, то есть при использовании режима АСР. Ясно, что если при режиме РНО ПС оказывается в каких-либо обстоятельствах перегрузки, она может просто отсрочить выполнение операций опроса, снизив, таким образом, перегрузку. Если, однако, обе стороны связи работают независимо, то должен быть предложен какой-то альтернативный механизм. Процедура управления потоком в протоколе HDLC основана на механизме окна.

Как мы видим, в приведенных примерах порядковые номера отправлений и поступлений возрастали по модулю 8, и, следовательно, наибольшее значение окна К, которое может быть использовано, равно 7. Отсюда в свою очередь следует, что в любой момент времени в списке повторных передач может находиться не более 7 кадров, ожидающих извещения.



Рисунок 14 - Использование кадров извещение

Каждая из сторон связи обеспечивает отдельную переменную СчетПовтПос, называемую счетчиком повторных посылок; при начальном установлении логической связи их значение принимается равным нулю. Значение счетчика увеличивается на единицу при каждой посылке I-кадра, то есть при каждом помещении I-кадра в список повторных передач, и уменьшается на единицу при каждом поступлении положительного извещения, то есть каждый раз, когда кадр удаляется из списка повторных передач.

Каждый раз, когда счетчик повторных посылок становится равным окну К, ПС прекращает отправку I- кадров и не возобновляет ее, пока не получит положительного извещения либо в виде самостоятельного супервизорного кадра РР, либо присоединенного к I-кадру, перемещающемуся в обратном направлении. Таким образом, можно сделать заключение, что посылка I-кадров прекращается, когда

V(S) = последнему полученному N(R)+K.

Следует отметить, что механизм окна управляет потоком I-кадров только в одном направлении и что супервизорные и ненумерованные кадры не попадают под действие этого механизма. Следовательно, I-кадры могут передаваться и тогда, когда окно задействовано.

Применение механизма окна означает, что порядковые номера во всех поступающих кадрах ограничены. Получив очередной кадр, ВС может проверить выполнение этого условия и при необходимости осуществить некоторую коррекцию.

Совершенно очевидно, что если

N(S)=N(R),

то все благополучно и кадр будет воспринят. Если

N(S) N(R),

но находится в допустимых пределах, то кадр был просто искажен и будет возвращен кадр ОТК (возврат-к-N) или кадр ВОТК (выборочная повторная передача), извещая ПС о том, что нарушен порядок, и о том, с какого кадра начать повторную передачу.

Если, однако, N(S) или N(R) находятся вне допустимых пределов, то это означает, что нарушена синхронизация порядковых номеров в двух концах связи. Следовательно, ВС должна выполнить повторную инициализацию (установку). Для этого полученный кадр аннулируется, и ПС посылает либо ответ КО (кадр отвергнут), либо ответ КМНО (команда отвергнута). Таким образом, ПС аннулирует все ожидающие передачи кадры и приступает к повторному установлению связи, посылая для этого УАСР и ожидая ответа НИЗ (ненумерованное извещение). После получения этого ответа обе стороны связи сбрасывают свои переменные, управляющие порядковыми номерами и окнами, и возобновляется передача I-кадров. На самом деле это только одна причина, по которой связь приходится устанавливать заново; другой причиной является получение ненумерованного кадра, такого как НИЗ в фазе передачи данных, что свидетельствует о наступлении рассинхронизации между ПС и ВС.