12.1. Функции сетевого уровня модели OSI

12.2. Адресация на сетевом уровне модели OSI

12.2.1. Адресация в TCP/IP сетях

12.2.2. Протокол автоматического назначения IP адресов - DHCP

12.2.3. Отображение доменных имен на IP адреса. Служба DNS

12.3. Маршрутизация на сетевом уровне OSI

12.3.1. Принципы обмена сообщениями между сетями

12.3.2. Протоколы маршрутизации

12.3.3. Функиции маршрутизатора

12.3.3.1. Уровень интерфесов

12.3.3.2. Уровень сетевого протокола

12.3.3.3. Уровень протокола маршрутизации

12.4. Функции обеспечения качества обслуживания и контроля передачи на транспортном уровне

12.4.1. Протокол TCP

12.1. Функции сетевого уровня модели OSI

В стандартной модели взаимодействия открытых систем в функции сетевого уровня входит решение следующих задач:

-       передача пакетов между конечными узлами в составных сетях;

-       выбор маршрута передачи пакетов, наилучшего по некоторому критерию;

-       согласование разных протоколов канального уровня, использующихся в отдельных подсетях одной составной сети.

Протоколы сетевого уровня реализуются, как правило, в виде программных модулей и выполняются на конечных узлах-компьютерах, называемых хостами, а также на промежуточных узлах - маршрутизаторах, называемых шлюзами.

Основная идея введения сетевого уровня состоит в следующем. Сеть в общем случае рассматривается как совокупность нескольких сетей и называется составной сетью или интерсетью (internetwork или internet). Сети, входящие в составную сеть, называются подсетями (subnet), составляющими сетями или просто сетями (рис. 12.1).

Рисунок 12.1 - Архитектура составной сети

Подсети соединяются между собой маршрутизаторами. Компонентами составной сети могут являться как локальные, так и глобальные сети. Внутренняя структура каждой сети на рисунке не показана, так как она не имеет значения при рассмотрении сетевого протокола.

Все узлы в пределах одной подсети взаимодействуют, используя единую для них технологию. Так, в составную сеть, показанную на рисунке, входит несколько сетей разных технологий: локальные сети Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI и глобальные сети frame relay, X.25, ISDN. Каждая из этих технологий достаточна для того, чтобы организовать взаимодействие всех узлов в своей подсети, но не способна построить информационную связь между произвольно выбранными узлами, принадлежащими разным подсетям, например между узлом А и узлом В на рис. 12.1.

Многие технологии локальных сетей (Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet и др.) используют одну и ту же систему адресации узлов на основе МАС - адресов. Адреса, присвоенные узлам в соответствии с технологиями подсетей, называют локальными. Чтобы сетевой уровень мог выполнить свою задачу, ему необходима собственная система адресации, не зависящая от способов адресации узлов в отдельных подсетях, которая позволила бы на сетевом уровне универсальным и однозначным способами идентифицировать любой узел составной сети.

Естественным способом формирования сетевого адреса является уникальная нумерация всех подсетей составной сети и нумерация всех узлов в пределах каждой подсети. Таким образом, сетевой адрес представляет собой пару: номер сети (подсети) и номер узла.

В качестве номера узла может выступать либо локальный адрес этого узла (такая схема принята в стеке IPX/SPX), либо некоторое число, никак не связанное с локальной технологией, которое однозначно идентифицирует узел в пределах данной подсети (характерен для стека TCP/IP).

Если проводить аналогию между взаимодействием разнородных сетей и перепиской людей из разных стран, то сетевая информация - это индекс страны, добавленный к адресу письма, написанному на одном из сотни языков земного шара, например на санскрите. И даже если это письмо должно пройти через множество стран, почтовые работники которые не знают санскрита, прочтут понятный им индекс страны-адресата который подскажет, через какие промежуточные страны лучше передать письмо, чтобы оно кратчайшим путем попало в Индию. А уже там работники местных почтовых отделений смогут прочитать точный адрес, указывающий город, улицу, дом и доставить письмо адресату, так как адрес написан на языке и в форме, принятой в данной стране.

Заголовок сетевого уровня должен содержать информацию, необходимую для успешного перехода пакета из сети одного типа в сеть другого типа:

-       номер сети-адресата. Явная нумерация сетей позволяет протоколам сетевого уровня составлять точную карту межсетевых связей и выбирать рациональные маршруты при любой их топологии, в том числе альтернативные маршруты, если они имеются, что не умеют делать мосты и коммутаторы.

-       номер фрагмента пакета, необходимый для успешного проведения операций сборки-разборки фрагментов при соединении сетей с разными максимальными размерами пакетов;

-       время жизни пакета, указывающее, как долго он путешествует по интерсети, это время может использоваться для уничтожения «заблудившихся» пакетов;

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

Когда две или более сети организуют совместную транспортную службу, то такой режим взаимодействия обычно называют межсетевым взаимодействием (internetworking).

12.2. Адресация на сетевом уровне модели OSI

12.2.1. Адресация в TCP/IP сетях

Протокол TCP/IP является на настоящий момент наиболее распространенным протоколом сетевого и транспортного уровней. Поэтому реализацию конечных протоколов данных уровней OSI рассмотрим на их примере.

В стеке TCP/IP используются три типа адресов:

-       локальные (называемые также аппаратными или МАС-адресами),

-       символьные доменные имена

-       IP-адреса.

В терминологии TCP/IP под локальным адресом (МАС-адресом) понимается такой тип адреса, который используется средствами базовой технологии для доставки данных в пределах сети, являющейся элементом более глобальной интерсети.

Если подсетью интерсети является локальная сеть, то локальный адрес - это МАС - адрес. МАС - адрес сетевого адаптера и сетевого интерфейса маршрутизаторов. МАС - адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными, так как управляются централизованно. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС - адрес имеет формат 6 байт, например 11-AO-17-3D-BC-01.

Символьные доменные имена. Символьные имена в IP-сетях называются доменными и строятся по иерархическому признаку. Составляющие полного символьного имени в IP-сетях разделяются точкой и перечисляются в следующем порядке:

-       сначала простое имя конечного узла,

-       затем имя группы узлов (например, имя организации),

-       затем имя более крупной группы (поддомена) и так до имени домена самого высокого уровня (например, домена объединяющего организации по географическому принципу: RU - Россия, UK - Великобритания, SU - США),

Примеров доменного имени может служить имя base2.sales.zil.ru. Между доменным именем и IP-адресом узла нет никакого алгоритмического соответствия, поэтому необходимо использовать какие-то дополнительные таблицы или службы, чтобы узел сети однозначно определялся как по доменному имени, так и по IP-адресу. В сетях TCP/IP используется специальная распределенная служба Domain Name System (DNS), которая устанавливает это соответствие на основании создаваемых администраторами сети таблиц соответствия. Поэтому доменные имена называют также DNS-именами.

IP-адреса представляют собой основной тип адресов, на основании которых сетевой уровень передает пакеты между сетями. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла, при этом в качестве признака номера сети выступает маска сети.

Когда протокол IP был стандартизирован в сентябре 1981 года, его спецификация требовала, чтобы каждое устройство, подключенное к сети, имело уникальный 32-битный адрес. Этот адрес делится на две части. Первая часть адреса идентифицирует сеть, в которой располагается устройство. Вторая часть однозначно идентифицирует само устройство. Такая схема создает двухуровневую адресную иерархию, которая показана на рис. 12.2

0 1 2 3...		…30 31
Ключ	Номер сети	Номер устройства в сети

Рисунок 12.2 - Двухуровневая адресная иерархия

Поле номера сети в адресе так же называется сетевым префиксом, так как первая порция каждого IP-адреса идентифицирует номер сети. Все станции определенной сети используют один и тот же сетевой префикс, но при этом должны иметь уникальные номера устройств. Аналогично две любые станции, расположенные в разных сетях, должны иметь различные сетевые префиксы, но при этом они могут иметь одинаковые номера устройств.

IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме и разделенных точками, например,

128.10.2.30 - традиционная десятичная форма представления адреса,

10000000 00001010 00000010 00011110 - двоичная форма представления этого же адреса.

Маска - это число, которое используется в паре с IP-адресом; двоичная запись маски содержит единицы в тех разрядах, которые должны в IP-адресе интерпретироваться как номер сети.

Поскольку номер сети является цельной частью адреса, единицы в маске также должны представлять непрерывную последовательность.

Для обеспечения гибкости в присвоении адресов компьютерным сетям разработчики определили, что адресное пространство протокола IP должно быть разделено на три различных класса — А, В и С. Каждый из этих основных классов фиксирует границу между сетевым префиксом и номером устройства в различных точках 32-битного адреса.

Таблица 12.1 - Диапазоны значений адресов трех классов

Класс адреса	Диапазоны значений
A	1. ХХХ.ХХХ.ХХХ–126. ХХХ.ХХХ.ХХХ
B	128.0.ХХХ.ХХХ–191.255.ХХХ.ХХХ
C	192.0.0.ХХХ–223.255.255.ХХХ

Для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения:

-       класс А:

       11111111. 00000000. 00000000. 00000000 (255.0.0.0);

-       класс В:

         11111111. 11111111. 00000000. 00000000 (255.255.0.0);

-       класс С:

                  11111111. 11111111. 11111111. 00000000          (255.255.255.0).

В масках количество единиц в последовательности, определяющей границу номера сети, не обязательно должно быть кратным 8, чтобы повторять деление адреса на байты. Пусть, например, для IP-адреса 129.64.134.5 указана маска 255.255.128.0, то есть в двоичном виде:

IP-адрес       129.64.134.5 -       10000001. 01000000. 10000110. 00000101,

Маска                    255.255.128.0 -     11111111. 11111111. 10000000. 00000000.

Снабжая каждый IP-адрес маской, можно отказаться от понятий классов адресов и сделать более гибкой систему адресации. Например, если рассмотренный выше адрес 185.23.44.206 ассоциировать с маской 255.255.255.0, то номером сети будет 185.23.44.0, а не 185.23.0.0, как это определено системой классов.

В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов.

-       Если весь IP-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет; этот режим используется только в некоторых сообщениях ICMP.

-       Если в поле номера сети стоят только нули, то по умолчанию считается, что узел назначения принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет.

-       Если все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным. сообщением (limited broadcast).

-       Если в поле номера узла назначения стоят только единицы, то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным номером сети. Например, пакет с адресом 192.190.21.255 доставляется всем узлам сети 192.190.21.0. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast).

Таблица 12.2 - Зарезервированные IP-адреса

При адресации необходимо учитывать те ограничения, которые вносятся особым назначением некоторых IP-адресов. Так, ни номер сети, ни номер узла не может состоять только из одних двоичных единиц или только из одних двоичных нулей. Отсюда следует, что максимальное количество узлов, приведенное в таблице для сетей каждого класса, на практике должно быть уменьшено на 2.

Особый смысл имеет IP-адрес, первый сокет которого равен 127. Он используется для тестирования программ и взаимодействия процессов в пределах одной машины т. е. образуется как бы «петля». Данные не передаются по сети, а возвращаются модулям верхнего уровня как только что принятые. Поэтому в IP-сети запрещается присваивать машинам IP-адреса, начинающиеся со 127. Этот адрес имеет название loopback.

12.2.2. Протокол автоматического назначения IP адресов - DHCP

Назначение IP-адресов узлам сети даже при не очень большом размере сети может представлять для администратора утомительную процедуру. Протокол автоматического назначения конфигурации Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) освобождает администратора от этих проблем, автоматизируя процесс назначения IP-адресов.

DHCP может поддерживать способ автоматического динамического распределения адресов, а также более простые способы ручного и автоматического статического назначения адресов. Протокол DHCP работает в соответствии с моделью клиент-сервер.

Во время старта системы компьютер, являющийся DHCP-клиентом, посылает в сеть широковещательный запрос на получение IP-адреса. DHCP - сервер откликается и посылает сообщение-ответ, содержащее IP-адрес. Предполагается, что DHCP-клиент и DHCP-сервер находятся в одной IP-сети.

При динамическом распределении адресов DHCP-сервер выдает адрес клиенту на ограниченное время, называемое временем аренды, что дает возможность впоследствии повторно использовать этот IP-адрес для назначения другому компьютеру. Основное преимущество DHCP - автоматизация рутинной работы администратора по конфигурированию стека TCP/IP на каждом компьютере. Иногда динамическое разделение адресов позволяет строить IP-сеть, количество узлов в которой превышает количество имеющихся в распоряжении администратора IP-адресов.

12.2.3. Отображение доменных имен на IP адреса. Служба DNS

При идентификации аппаратного и программного обеспечения компьютеров в сетях протокол TCP/IP использует IP-адреса. Поэтому для доступа к сетевому ресурсу вполне достаточно указать его IP-адрес. Например, команда ftp://192.45.66.17 будет устанавливать сеанс связи с нужным ftp-сервером, а команда http://203.23.106.33 откроет начальную страницу на Web-сервере. Однако пользователи обычно предпочитают работать с символьными именами компьютеров. Следовательно, в сетях TCP/IP должны существовать символьные имена хостов и механизм для установления соответствия между символьными именами и IP-адресами.

В операционных системах, которые первоначально разрабатывались для работы в локальных сетях, таких как Novell NetWare, Microsoft Windows или IBM OS/2, пользователи всегда работали с символьными именами компьютеров. Так как локальные сети состояли из небольшого числа компьютеров, то использовались так называемые плоские имена, состоящие из последовательности символов, не разделенных на части. Примерами таких имен являются: NW1_1, mail2, MOSCOW_SALES_2.

Для стека TCP/IP, рассчитанного в общем случае на работу в больших территориально распределенных сетях, подобный подход оказывается.

Для эффективной организации именования компьютеров в больших сетях естественным является применение иерархических составных имен. В стеке TCP/IP применяется доменная система имен, которая имеет иерархическую древовидную структуру, допускающую использование в имени произвольного количества составных частей (рис. 12.3).

Рисунок 12.3 - Пространство доменных имен

Иерархия доменных имен аналогична иерархии имен файлов, принятой во многих популярных файловых системах. Дерево имен начинается с корня, обозначаемого здесь точкой (.). Затем следует старшая символьная часть имени, вторая по старшинству символьная часть имени и т. д. Младшая часть имени соответствует конечному узлу сети.

В отличие от имен файлов, при записи которых сначала указывается самая старшая составляющая, затем составляющая более низкого уровня и т. д., запись доменного имени начинается с самой младшей составляющей, а заканчивается самой старшей. Составные части доменного имени отделяется друг от друга точкой. Например, в имени partnering.microsoft.com составляющая partnering является именем одного из компьютеров в домене Microsoft.com.

Необходимо подчеркнуть, что компьютеры входят в домен в соответствии со своими составными именами, при этом они могут иметь совершенно различные IP-адреса, принадлежащие к различным сетям и подсетям. Например, в домен mgu.ru могут входить хосты с адресами 132.13.34.15, 201.22.100.33,14.0.0.6. Доменная система имен реализована в сети Internet, но она может работать и как автономная система имен в крупной корпоративной сети, использующей стек TCP/IP, но не связанной с Internet.

В сети Internet корневой домен управляется центром InterNIC. Домены верхнего уровня назначаются для каждой страны, а также на организационной основе. Имена этих доменов должны следовать международному стандарту ISO 3166. Для обозначения стран используются трехбуквенные и двухбуквенные аббревиатуры, а для различных типов организаций - следующие обозначения:

-       edu - образовательные (например, mitedu);

-       gov - правительственные организации (например, nsf.gov);

-       org - некоммерческие организации (например, fidonet.org);

-       net - организации, поддерживающие сети (например, nsf.net).

Соответствие между доменными именами и IP-адресами может устанавливаться как средствами локального хоста, так и средствами централизованной службы.

В качестве централизированнной специальной службы используется - система доменных имен (Domain Name System, DNS).

DNS - это централизованная служба, основанная на распределенной базе отображений «доменное имя - IP-адрес». Служба DNS использует в своей работе протокол типа «клиент-сервер». В нем определены DNS-серверы и DNS-клиенты:

-       DNS-серверы поддерживают распределенную базу отображений,

-       DNS-клиенты обращаются к серверам с запросами о разрешении доменного имени в IP-адрес.

Каждый DNS-сервер кроме таблицы отображений имен содержит ссылки на DNS-серверы своих поддоменов. Эти ссылки связывают отдельные DNS-серверы в единую службу DNS. Ссылки представляют собой IP-адреса соответствующих серверов. Для обслуживания корневого домена выделено несколько дублирующих друг друга DNS-серверов, IP-адреса которых являются широко известными

Существуют две основные схемы разрешения DNS-имен.

В первом варианте работу по поиску IP-адреса координирует DNS-клиент:

-       DNS-клиент обращается к корневому DNS-серверу с указанием полного доменного имени;

-       DNS-сервер отвечает, указывая адрес следующего DNS-сервера, обслуживающего домен верхнего уровня, заданный в старшей части запрошенного имени;

-       DNS-клиент делает запрос следующего DNS-сервера, который отсылает его к DNS-серверу нужного поддомена, и т. д., пока не будет найден DNS-сервер, в котором хранится соответствие запрошенного имени IP-адресу. Этот сервер дает окончательный ответ клиенту.

В такой схеме взаимодействия клиент сам итеративно выполняет последовательность запросов к разным серверам имен. Так как эта схема загружает клиента достаточно сложной работой, то она применяется редко.

Во втором варианте реализуется рекурсивная процедура:

-       DNS-клиент запрашивает локальный DNS-сервер, то есть тот сервер, который обслуживает поддомен, к которому принадлежит имя клиента;

-       если локальный DNS-сервер знает ответ, то он сразу же возвращает его клиенту; это может соответствовать случаю, когда запрошенное имя входит в тот же поддомен, что и имя клиента, а также может соответствовать случаю, когда сервер уже узнавал данное соответствие для другого клиента и сохранил его в своем кэше;

-       если же локальный сервер не знает ответ, то он выполняет итеративные запросы к корневому серверу и т. д. точно так же, как это делал клиент в первом варианте; получив ответ, он передает его клиенту, который все это время просто ждал его от своего локального DNS-сервера.

В этой схеме клиент перепоручает работу своему серверу, поэтому схема называется косвенной или рекурсивной. Практически все DNS-клиенты используют рекурсивную процедуру.

12.3. Маршрутизация на сетевом уровне OSI

12.3.1. Принципы обмена сообщениями между сетями

Важнейшей задачей сетевого уровня является маршрутизация - передача пакетов между двумя конечными узлами в составной сети.

Рассмотрим принципы маршрутизации на примере составной сети, изображенной на рис. 12.4. В этой сети 20 маршрутизаторов объединяют 18 сетей в общую сеть; S1, S2, ... , S20 - это номера сетей. Маршрутизаторы имеют по нескольку портов (по крайней мере, по два), к которым присоединяются сети. Каждый порт маршрутизатора можно рассматривать как отдельный узел сети: он имеет собственный сетевой адрес и собственный локальный адрес в той подсети, которая к нему подключена. Например, маршрутизатор под номером 1 имеет три порта, к которым подключены сети S1, S2, S3. На рисунке 12.4 сетевые адреса этих портов обозначены как М1(1), Ml (2) и М1(3). Порт М1(1) имеет локальный адрес в сети с номером S1, порт Ml(2) - в сети S2, а порт М1(3) - в сети S3. Таким образом, маршрутизатор можно рассматривать как совокупность нескольких узлов, каждый из которых входит в свою сеть. Как единое устройство маршрутизатор не имеет ни отдельного сетевого адреса, ни какого-либо локального адреса.

Рисунок 12.4 -  Принципы маршрутизации в составной сети

В сложных составных сетях почти всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами.

Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения. Так, пакет, отправленный из узла А в узел В, может пройти через маршрутизаторы 17, 12, 5, 4 и 1 или маршрутизаторы 17,13, 7, 6 и 3. Нетрудно найти еще несколько маршрутов между узлами А и В.

Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы. Маршрут выбирается на основании имеющейся у этих устройств информации о текущей конфигурации сети, а также на основании указанного критерия выбора маршрута. Обычно в качестве критерия выступает задержка прохождения маршрута отдельным пакетом или средняя пропускная способность маршрута для последовательности пакетов. Часто также используется весьма простой критерий, учитывающий только количество пройденных в маршруте промежуточных маршрутизаторов (хопов).

Чтобы по адресу сети назначения можно было бы выбрать рациональный маршрут дальнейшего следования пакета, каждый конечный узел и маршрутизатор анализируют специальную информационную структуру, которая называется таблицей маршрутизации. Используя условные обозначения для сетевых адресов маршрутизаторов и номеров сетей в том виде, как они приведены на рис. 12.4, посмотрим, как могла бы выглядеть таблица маршрутизации, например, в маршрутизаторе 4 (табл. 12.3).

Таблица 12.3 - Таблица маршрутизации для маршрутизатора 4

В первом столбце таблицы перечисляются номера сетей, входящих в интерсеть. В каждой строке таблицы следом за номером сети указывается сетевой адрес следующего маршрутизатора (более точно, сетевой адрес соответствующего порта следующего маршрутизатора), на который надо направить пакет, чтобы тот передвигался по направлению к сети с данным номером по рациональному маршруту.

Когда на маршрутизатор поступает новый пакет, номер сети назначения, извлеченный из поступившего кадра, последовательно сравнивается с номерами сетей из каждой строки таблицы. Строка с совпавшим номером сети указывает, на какой ближайший маршрутизатор следует направить пакет. Например, если на какой-либо порт маршрутизатора 4 поступает пакет, адресованный в сеть S6, то из таблицы маршрутизации следует, что адрес следующего маршрутизатора - М2(1), то есть очередным этапом движения данного пакета будет движение к порту 1 маршрутизатора 2.

Поскольку пакет может быть адресован в любую сеть составной сети, может показаться, что каждая таблица маршрутизации должна иметь записи обо всех сетях, входящих в составную сеть. Но при таком подходе в случае крупной сети объем таблиц маршрутизации может оказаться очень большим, что повлияет на время ее просмотра, потребует много места для хранения и т. п. Поэтому на практике число записей в таблице маршрутизации стараются уменьшить за счет использования специальной записи - «маршрутизатор по умолчанию» (default). Действительно, если принять во внимание топологию составной сети, то в таблицах маршрутизаторов, находящихся на периферии составной сети, достаточно записать номера сетей, непосредственно подсоединенных к данному маршрутизатору или расположенных поблизости, на тупиковых маршрутах. Обо всех же остальных сетях можно сделать в таблице единственную запись, указывающую на маршрутизатор, через который пролегает путь ко всем этим сетям. Такой маршрутизатор называется маршрутизатором по умолчанию, а вместо номера сети в соответствующей строке помещается особая запись, default.

В нашем примере таким маршрутизатором по умолчанию для сети S5 является маршрутизатор 5, точнее его порт М5(1). Это означает, что путь из сети S5 почти ко всем сетям большой составной сети пролегает через этот порт маршрутизатора.

12.3.2. Протоколы маршрутизации

Для автоматического построения таблиц маршрутизации маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии составной сети в соответствии со специальным служебным протоколом. Протоколы этого типа называются протоколами маршрутизации (или маршрутизирующими протоколами).

Во всех описанных выше примерах при выборе рационального маршрута определялся только следующий (ближайший) маршрутизатор, а не вся последовательность маршрутизаторов от начального до конечного узла. Таким образом, каждый маршрутизатор ответственен за выбор только одного шага маршрута, а окончательный маршрут складывается в результате работы всех маршрутизаторов, через которые проходит данный пакет (рис. 12.5). Такие алгоритмы называются алгоритмами одношаговой маршрутизации.

Существует и прямо противоположный, многошаговый подход - маршрутизация от источника (Source Routing). В соответствии с ним узел-источник задает в отправляемом в сеть пакете полный маршрут его следования через все промежуточные маршрутизаторы (рис. 12.6). Это ускоряет прохождение пакета по сети, разгружает маршрутизаторы, но при этом большая нагрузка ложится на конечные узлы. Эта схема в вычислительных сетях применяется сегодня гораздо реже, чем схема распределенной одношаговой маршрутизации.

Рисунок 12.5 - Принцип одношаговой маршрутизации

Рисунок 12.6 - Принцип маршрутизации от источника

Одношаговые алгоритмы в зависимости от способа формирования таблиц маршрутизации делятся на три класса:

-       алгоритмы фиксированной (или статической) маршрутизации;

-       алгоритмы простой маршрутизации;

-       алгоритмы адаптивной (или динамической) маршрутизации.

В алгоритмах фиксированной маршрутизации все записи в таблице маршрутизации являются статическими. Администратор сети сам решает, на какие маршрутизаторы надо передавать пакеты с теми или иными адресами, и вручную

В алгоритмах простой маршрутизации таблица маршрутизации либо вовсе не используется, либо строится без участия протоколов маршрутизации. Выделяют три типа простой маршрутизации:

-       случайная маршрутизация, когда прибывший пакет посылается в первом попавшем случайном направлении, кроме исходного;

-       лавинная маршрутизация, когда пакет широковещательно посылается по всем возможным направлениям, кроме исходного (аналогично обработке мостами кадров с неизвестным адресом);

-       маршрутизация по предыдущему опыту, когда выбор маршрута осуществляется по таблице, но таблица строится по принципу моста путем анализа адресных полей пакетов, появляющихся на входных портах.

Самыми распространенными являются алгоритмы адаптивной (или динамической) маршрутизации. Эти алгоритмы обеспечивают автоматическое обновление таблиц маршрутизации после изменения конфигурации сети. Протоколы, построенные на основе адаптивных алгоритмов, позволяют всем маршрутизаторам собирать информацию о топологии связей в сети, оперативно отрабатывая все изменения конфигурации связей.

Адаптивные протоколы обмена маршрутной информацией делятся на две группы, каждая из которых связана с одним из следующих типов алгоритмов:

-       дистанционно-векторные алгоритмы (Distance Vector Algorithms, DVA);

-       алгоритмы состояния связей (Link State Algorithms, LSA).

В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор, компонентами которого являются расстояния (как правило - число хопов) от данного маршрутизатора до всех известных ему сетей. При получении вектора от соседа маршрутизатор наращивает расстояния до указанных в векторе сетей на расстояние до данного соседа. Получив вектор от соседнего маршрутизатора, каждый маршрутизатор добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов, а затем снова рассылает новое значение вектора по сети. В конце концов, каждый маршрутизатор узнает информацию обо всех имеющихся в интерсети сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.

Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях, В больших сетях они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком, к тому же изменения конфигурации могут отрабатываться по этому алгоритму не всегда корректно, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии связей в сети. Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP.

Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают на основании одинаковых графов, что делает процесс маршрутизации более устойчивым к изменениям конфигурации. Вершинами графа являются как маршрутизаторы, так и объединяемые ими сети. «Широковещательная» рассылка (то есть передача пакета всем непосредственным соседям маршрутизатора) используется здесь только при изменениях состояния связей, что происходит в надежных сетях не так часто. Протоколами, основанными на алгоритме состояния связей, являются протоколы IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) стека OSI, OSPF (Open Shortest Path First) стека TCP/IP.

12.3.3. Функции маршрутизатора

Основная функция маршрутизатора - чтение заголовков пакетов сетевых протоколов, принимаемых и буферизуемых по каждому порту (например, IPX, IP, AppleTalk или DECnet), и принятие решения о дальнейшем маршруте следования пакета по его сетевому адресу, включающему, как правило, номер сети и номер узла.

Функции маршрутизатора могут быть разбиты на 3 группы в соответствии с уровнями модели OSI (рис. 12.7).

-       Уровень интерфейсов.

-       Уровень сетевого протокола.

-       Уровень протоколов маршрутизации.

Рассмотрим эти группы более подробно.

12.3.3.1. Уровень интерфейсов

На нижнем уровне (уровне интерфейсов) маршрутизатор, как и любое устройство, подключенное к сети, обеспечивает физический интерфейс со средой передачи, включая согласование уровней электрических сигналов, линейное и логическое кодирование, оснащение определенным типом разъема. В разных моделях маршрутизаторов часто предусматриваются различные наборы физических интерфейсов, представляющих собой комбинацию портов для подсоединения локальных и глобальных сетей. С каждым интерфейсом для подключения локальной сети неразрывно связан определенный протокол канального уровня - например, Ethernet, Token Ring, FDDI. Интерфейсы для присоединения к глобальным сетям чаще всего определяют только некоторый стандарт физического уровня, над которым в маршрутизаторе могут работать различные протоколы канального уровня. Например, глобальный порт может поддерживать интерфейс V.35, над которым могут работать протоколы канального уровня: LAP-B (используемый в сетях X.25), LAP-F (используемый в сетях frame relay), LAP-D (используемый в сетях ISDN). Разница между интерфейсами локальных и глобальных сетей объясняется тем, что технологии локальных сетей работают по собственным стандартам физического уровня, которые не могут, как правило, использоваться в других технологиях, поэтому интерфейс для локальной сети представляет собой сочетание физического и канального уровней и носит название по имени соответствующей технологии - например, интерфейс Ethernet.

Рисунок 12.7 - Функциональная модель маршрутизатора

Интерфейсы маршрутизатора выполняют полный набор функций физического и канального уровней по передаче кадра, включая получение доступа к среде (если это необходимо), формирование битовых сигналов, прием кадра, подсчет его контрольной суммы и передачу поля данных кадра верхнему уровню, в случае если контрольная сумма имеет корректное значение.

Как и любой конечный узел, каждый порт маршрутизатора имеет собственный аппаратный адрес (в локальных сетях МАС - адрес), по которому ему и направляются кадры, требующие маршрутизации, другими узлами сети.

Перечень физических интерфейсов, которые поддерживает та или иная модель маршрутизатора, является его важнейшей потребительской характеристикой. Маршрутизатор должен поддерживать все протоколы канального и физического уровней, используемые в каждой из сетей, к которым он будет непосредственно присоединен. На рис. 12.7 показана функциональная модель маршрутизатора с четырьмя портами, реализующими следующие физические интерфейсы: 10Base-T и 10Base-2 для двух портов Ethernet, UTP для Token Ring и V.35, над которым могут работать протоколы LAP-B, LAP-D или LAP-F, обеспечивая подключение к сетям Х.25, ISDN или frame relay.

Кадры, которые поступают на порты маршрутизатора, после обработки соответствующими протоколами физического и канального уровней, освобождаются от заголовков канального уровня. Извлеченные из поля данных кадра пакеты передаются модулю сетевого протокола.

12.3.3.2. Уровень сетевого протокола

На уровне сетевого протокола извлекается из пакета заголовок сетевого уровня и анализируется содержимое его полей. Прежде всего, проверяется контрольная сумма, и если пакет пришел поврежденным, то он отбрасывается. Выполняется проверка, не превысило ли время, которое провел пакет в сети (время жизни пакета), допустимой величины. Если превысило - то пакет также отбрасывается. На этом этапе вносятся корректировки в содержимое некоторых полей, например, наращивается время жизни пакета, пересчитывается контрольная сумма.

На сетевом уровне выполняется одна из важнейших функций маршрутизатора - фильтрация трафика. Маршрутизатор, обладая более высоким интеллектом, нежели мосты и коммутаторы, позволяет задавать и может отрабатывать значительно более сложные правила фильтрации. Пакет сетевого уровня, находящийся в поле данных кадра, для мостов/коммутаторов представляется неструктурированной двоичной последовательностью. Маршрутизаторы же, программное обеспечение которых содержит модуль сетевого протокола, способны производить разбор и анализ отдельных полей пакета. Они оснащаются развитыми средствами пользовательского интерфейса, которые позволяют администратору без особых усилий задавать сложные правила фильтрации. Они, например, могут запретить прохождение в корпоративную сеть всех пакетов, кроме пакетов, поступающих из подсетей этого же предприятия. Фильтрация в данном случае производится по сетевым адресам, и все пакеты, адреса которых не входят в разрешенный диапазон, отбрасываются. Маршрутизаторы, как правило, также могут анализировать структуру сообщений транспортного уровня, поэтому фильтры могут не пропускать в сеть сообщения определенных прикладных служб, например службы tehet, анализируя поле типа протокола в транспортном сообщении.

В случае если интенсивность поступления пакетов выше интенсивности, с которой они обрабатываются, пакеты могут образовать очередь. Программное обеспечение маршрутизатора может реализовать различные дисциплины обслуживания очередей пакетов: в порядке поступления по принципу «первый пришел - первым обслужен» (First Input First Output, FIFO), случайное раннее обнаружение, когда обслуживание идет по правилу FIFO, но при достижении длиной очереди некоторого порогового значения вновь поступающие пакеты отбрасываются (Random Early Detection, RED), а также различные варианты приоритетного обслуживания.

К сетевому уровню относится и основная функция маршрутизатора - определение маршрута пакета. По номеру сети, извлеченному из заголовка пакета, модуль сетевого протокола находит в таблице маршрутизации строку, содержащую сетевой адрес следующего маршрутизатора, и номер порта, на который нужно передать данный пакет, чтобы он двигался в правильном направлении. Если в таблице отсутствует запись о сети назначения пакета и к тому же нет записи о маршрутизаторе по умолчанию, то данный пакет отбрасывается.

Перед тем как передать сетевой адрес следующего маршрутизатора на канальный уровень, необходимо преобразовать его в локальный адрес той технологии, которая используется в сети, содержащей следующий маршрутизатор. Для этого сетевой протокол обращается к протоколу разрешения адресов. Протоколы этого типа устанавливают соответствие между сетевыми и локальными адресами либо на основании заранее составленных таблиц, либо путем рассылки широковещательных запросов. Таблица соответствия локальных адресов сетевым адресам строится отдельно для каждого сетевого интерфейса. Протоколы разрешения адресов занимают промежуточное положение между сетевым и канальным уровнями.

С сетевого уровня пакет, локальный адрес следующего маршрутизатора и номер порта маршрутизатора передаются вниз, канальному уровню. На основании указанного номера порта осуществляется коммутация с одним из интерфейсов маршрутизатора, средствами которого выполняется упаковка пакета в кадр соответствующего формата. В поле адреса назначения заголовка кадра помещается локальный адрес следующего маршрутизатора. Готовый кадр отправляется в сеть.

12.3.3.3. Уровень протокола маршрутизации

Сетевые протоколы активно используют в своей работе таблицу маршрутизации, но ни ее построением, ни поддержанием ее содержимого не занимаются. Эти функции выполняют протоколы маршрутизации. На основании этих протоколов маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии сети, а затем анализируют полученные сведения, определяя наилучшие по тем или иным критериям маршруты. Результаты анализа и составляют содержимое таблиц маршрутизации.

Помимо перечисленных выше функций, на маршрутизаторы могут быть возложены и другие функции, например операции, связанные с фрагментацией.

12.4. Функции обеспечения качества обслуживания и контроля передачи на транспортном уровне

Транспортный уровень (Transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет различные классы сервиса, предоставляемых транспортным уровнем:

-       срочность,

-       возможностью восстановления прерванной связи,

-       наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол,

-       способность к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых операционных систем.

12.4.1. Протокол TCP

Transmission Control Protocol (TCP- протокол управления передачей) — один из основных сетевых протоколов, предназначенный для управления передачей данных в сетях и подсетях TCP/IP. Выполняет функции протокола транспортного уровня модели OSI.

Протокол TCP — это транспортный механизм, предоставляющий поток данных, с предварительной установкой соединения, контролирующий достоверность получаемых данных, осуществляет повторный запрос данных в случае потери данных и устраняет дублирование при получении двух копий одного пакета. В отличие от UDP, гарантирует, что приложение получит данные точно в такой же последовательности, в какой они были отправлены, и без потерь.

Рисунок 12.8 - Доступ приложений через порты к среде передачи

Рисунок 12.9 – Адаптивная регулировка скорости передачи к надежности соединения за счет механизма «плавающего окна»

Приложения не формируют IP-пакеты - для этого разработчикам приложений пришлось бы разбираться с неспецифичными для них сетевыми задачами и приложения стали бы зависимы от типа сети. Транспортный уровень принимает потоки данных или сообщения, «упаковывает» данные приложений в IP-пакеты и передает в сеть:

-         сервис негарантированной доставки единичных сообщений обеспечивает транспортный протокол UDP,

-         потоковый транспортный сервис с надежной доставкой обеспечивает протокол TCP.