Сетевой уровень протоколов модели OS. I Сетевой уровень Network Layer служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причём эти сети могут использовать различные принципы передачи между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей.
Функции сетевого уровня достаточно разнообразны рис.1.1 . На сетевом уровне сам термин сеть наделяют специфическим значением.
В данном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определённый для данной топологии.
Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связи между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в протоколах канального уровня. Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и её решение является одной из главных задач сетевого уровня.
Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший.
Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени.
Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время.
Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например надёжности передачи. В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой.
Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надёжных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями. 1 Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами packets. При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие номер сети. В этом случае адрес получателя состоит из старшей части - номера сети и младшей - номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину сеть на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное определение сеть - это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети 2 . На сетевом уровне определяются два вида протоколов.
Первый вид- сетевые протоколы - реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршрутизации.
На сетевом уровне работают протоколы ещё одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне в локальный адрес сети. Такие протоколы называют протоколами разрешения адресов. Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell. 1.2. Обобщенное описание функционирования маршрутизатора Маршрутизатор - это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на её основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения.
Основная функция маршрутизатора - чтение заголовков пакетов сетевых протоколов, принимаемых и буферизуемых по каждому порту, и принятие решения о дальнейшем маршруте следования пакета по его сетевому адресу, включающему номер сети и номер узла. Функции маршрутизатора могут быть разбиты на 3 группы в соответствии с уровнями модели OSI рис. 1.1 . Уровень протокола маршрутизации Удаление плохих пакетов по контрольной сумме Ведение очередей пакетов Определение маршрута по таблице маршрутизации Анализ и модификация сетевого заголовка Фильтрация пакетов Уровень сетевого протокола Уровень интер- фейсов LLC-подуровень 802.3 МАС-подуровень 802.3 МАС-подуровень 802.5 МАС-подуровень 0Base-T 10Base-2 UTP Порт1 Порт2 Порт3 Порт4 Ethernet Ethernet Token Ring V.35 x.25,frame relay,ISDN Рис. 1.1. Функциональная схема маршрутизатора 1.2.1. Уровень интерфейсов Интерфейсы маршрутизатора, выполняют полный набор функций физического и канального уровней по передаче кадра, включая получение доступа к среде, формирование битовых сигналов, приём кадра, подсчёт контрольной суммы и передачу поля данных кадра верхнему уровню. 1.2.2. Уровень сетевого протокола Сетевой протокол извлекает из пакета заголовок сетевого уровня и анализирует содержимое его полей.
Проверяется контрольная сумма, и если пакет пришел поврежденным, то он отбрасывается.
Проверяется время жизни пакета, вносятся корректировки в содержимое некоторых полей, пересчитывается контрольная сумма.
На сетевом уровне выполняется одна из важнейших функций маршрутизатора - фильтрация трафика 3 . Маршрутизатор позволяет задавать и обрабатывать сложные правила фильтрации. Пакет сетевого уровня, находящийся в поле данных кадра для маршрутизаторов 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 задавать сложные правила фильтрации 1 . В случае если интенсивность поступления пакетов выше скорости обработки, пакеты могут образовать очередь. Существуют различные дисциплины обслуживания пакетов в порядке поступления по принципу первый пришел - первый обслужен First Input First Output, FIFO случайное раннее обнаружение, когда обслуживание идет по правилу FIFO, но при достижении очередью определенной длины, вновь поступающие пакеты отбрасываются, а также различные варианты приоритетного обслуживания.
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 пакет, чтобы он двигался в нужном направлении.
Если в таблице отсутствует запись о сети назначения пакета, и, к тому же, нет записи о маршрутизаторе по умолчанию, то пакет отбрасывается. Перед тем как передать сетевой адрес следующего маршрутизатора на канальный уровень 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. 1.2.3. Уровень протоколов маршрутизации Сетевые протоколы активно используют в своей работе таблицу маршрутизации, но ни её построением. Ни её поддержанием 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. 1.3.