На основе протоколов сетевого уровня

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. Функ­ции маршрутизаторов могут выполнять как специализированные устройства, так и универсальные компьютеры с соответствующим программным обеспечением.

5.1.1. Ограничения мостов и коммутаторов

Создание сложной, структурированной сети, интегрирующей различные базовые технологии, может осуществляться и средствами канального уровня: для этого могут быть использованы некоторые типы мостов и коммутаторов. Мост или коммута­тор разделяет сеть на сегменты, локализуя трафик внутри сегмента, что делает линии связи разделяемыми преимущественно между станциями данного сегмента. Тем самым сеть распадается на отдельные подсети, из которых могут быть постро­ены составные сети достаточно крупных размеров.

346 Глава 5 • Сетевой уровень как средство построения больших сетей

Однако построение сложных сетей только на основе повторителей, мостов и коммутаторов имеет существенные ограничения и недостатки.

• Во-первых, в топологии получившейся сети должны отсутствовать петли. Действительно, мост/коммутатор может решать задачу доставки пакета адреса­ту только тогда, когда между отправителем и получателем существует един­ственный путь. В то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необходимо для лучшей балансировки нагрузки, а также для повы­шения надежности сети за счет образования резервных путей.

• Во-вторых, логические сегменты сети, расположенные между мостами или ком­мутаторами, слабо изолированы друг от друга, а именно не защищены от так называемых широковещательных штормов. Если какая-либо станция посылает широковещательное сообщение, то это сообщение передается всем станциям всех логических сегментов сети. Защита от широковещательных штормов в се­тях, построенных на основе мостов и коммутаторов, имеет количественный, а не качественный характер: администратор просто ограничивает количество широковещательных пакетов, которое разрешается генерировать некоторому узлу в единицу времени. Использование же механизма виртуальных сетей, реализо­ванного во многих коммутаторах, хотя и позволяет достаточно гибко создавать изолированные по трафику группы станций, но при этом изолирует их полно­стью, так что узлы одной виртуальной сети не могут взаимодействовать с узлами другой виртуальной сети.

• В-третьих, в сетях, построенных на основе мостов и коммутаторов, достаточно сложно решается задача управления трафиком на основе значения данных, со­держащихся в пакете. В таких сетях это возможно только с помощью пользова­тельских фильтров, для задания которых администратору приходится иметь дело с двоичным представлением содержимого пакетов.

• В-четвертых, реализация транспортной подсистемы только средствами физи­ческого и канального уровней, к которым относятся мосты и коммутаторы, при­водит к недостаточно гибкой, одноуровневой системе адресации: в качестве адреса назначения используется МАС-адрес, жестко связанный с сетевым адаптером.

• Наконец, возможностью трансляции протоколов канального уровня обладают далеко не все типы мостов и коммутаторов, к тому же эти возможности ограни­чены. В частности, в объединяемых сетях должны совпадать максимально допу­стимые размеры полей данных в кадрах, так как мостами и коммутаторами не поддерживается функция фрагментации кадров.

Наличие серьезных ограничений у протоколов канального уровня показывает, что построение на основе средств этого уровня больших неоднородных сетей явля­ется весьма проблематичным. Естественное решение в этих случаях — это привле­чение средств более высокого, сетевого уровня.

5.1.2. Понятие internetworking

Основная идея введения сетевого уровня состоит в следующем. Сеть в общем слу­чае рассматривается как совокупность нескольких сетей и называется составной сетью или интерсетью (internetwork или internet). Сети, входящие в составную сеть, называются подсетями (subnet), составляющими сетями или просто сетями (рис. 5.1).

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. 5.1. Следовательно, для организации взаимодействия между лю­бой произвольной парой узлов этой «большой» составной сети требуются допол­нительные средства. Такие средства и предоставляет сетевой уровень.

Сетевой уровень выступает в качестве координатора, организующего работу всех подсетей, лежащих на пути продвижения пакета по составной сети. Для перемеще­ния данных в пределах подсетей сетевой уровень обращается к используемым в этих подсетях технологиям.

Хотя многие технологии локальных сетей (Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet и др.) используют одну и ту же систему адресации узлов на основе МАС-адресов, существует немало технологий (X.25, ATM, frame relay), в которых приме­няются другие схемы адресации. Адреса, присвоенные узлам в соответствии с технологиями подсетей, называют локальными. Чтобы сетевой уровень мог выпол-

348 Глава 5 • Сетевой уровень как средство построения больших сетей____________________________

нить 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. В первом случае сетевой адрес становится зависимым от локальных технологий, что ограничивает его применение. Например, сетевые адреса IPX/SPX рассчитаны на работу в составных сетях, объединяющих сети, в которых использу­ются только MAC-адреса или адреса аналогичного формата. Второй подход более универсален, он характерен для стека TCP/IP. И в том и другом случае каждый узел составной сети имеет наряду со своим локальным адресом еще один — универ­сальный сетевой адрес.

Данные, которые поступают на сетевой уровень и которые необходимо передать через составную сеть, снабжаются заголовком сетевого уровня. Данные вместе с заголовком образуют пакет. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифициро­ванный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня тех сетей, которые могут входить в объединенную сеть, и несет наряду с другой служебной информацией данные о номере сети, которой предназначается этот пакет. Сетевой уровень определяет маршрут и перемещает пакет между подсетями.

При передаче пакета из одной подсети в другую пакет сетевого уровня, инкап­сулированный в прибывший канальный кадр первой подсети, освобождается от заголовков этого кадра и окружается заголовками кадра канального уровня следу­ющей подсети. Информацией, на основе которой делается эта замена, являются служебные поля пакета сетевого уровня. В поле адреса назначения нового кадра указывается локальный адрес следующего маршрутизатора.

ПРИМЕЧАНИЕЕсли в подсети доставка данных осуществляется средствами канального и физического уровней (как, на­пример, в стандартных локальных сетях), то пакеты сетевого уровня упаковываются в кадры канального уровня. Если же в какой-либо подсети для транспортировки сообщений используется технология, основан­ная на стеках с большим числом уровней, то пакеты сетевого уровня упаковываются в блоки передавае­мых данных самого высокого уровня подсети.

Если проводить аналогию между взаимодействием разнородных сетей и пере­пиской людей из разных стран, то сетевая информация — это общепринятый 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 которых не знают санскрита, понят­ный им индекс страны-адресата 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 индивидуума, и доставить письмо адресату, так как адрес написан на языке и в форме, принятой в данной стране.

5.1. Принципы объединения сетей на основе протоколов сетевого уровня 349

Основным полем заголовка сетевого уровня является номер сети-адресата В рас­смотренных нами ранее протоколах локальных сетей такого поля в кадрах предус­мотрено не было — предполагалось, что все узлы принадлежат одной сети. Явная нумерация сетей позволяет протоколам сетевого уровня составлять точную карту межсетевых связей и выбирать рациональные маршруты при любой их топологии, в том числе альтернативные маршруты, если они имеются, что не умеют делать мосты и коммутаторы.

Кроме номера сети заголовок сетевого уровня должен содержать и другую ин­формацию, необходимую для успешного перехода пакета из сети одного типа в сеть другого типа. К такой информации может относиться, например:

• номер фрагмента пакета, 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).

5.1.3. Принципы маршрутизации

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. 5.2. В этой сети 20 маршрутизаторов объединяют 18 сетей в общую сеть; SI, 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 SI, S2, S3. На рисунке сетевые адреса этих портов обозначе­ны как М1(1), М1(2) и М1(3). Порт М1(1) имеет локальный адрес в сети с номером S1, порт М1(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.

ПРИМЕЧАНИЕЕсли маршрутизатор имеет блок управления (например, SNMP-управления), то этот блок имеет собствен­ные локальный и сетевой адреса, по которым к нему обращается центральная станция управления, находя­щаяся где-то в составной сети.

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

350 Глава 5 • Сетевой уровень как средство построения больших сетей

рут — 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).

5.1. Принципы объединения сетей на основе протоколов сетевого уровня 351

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. 5.2, посмотрим, как могла бы выглядеть таблица маршрутизации, например, в маршрутизаторе 4 (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Таблица маршрутизации маршрутизатора 4