Горячев А.В. Основы сетевых технологий

Подождите немного. Документ загружается.

Протоколы статического оконного управления (Static window)

потоком данных могут использовать только фиксированный размер окна.

Посылающее приложение собирает различные фреймы данных, назначает

каждому его временный номер в окне и отправляет фреймы в среду

передачи. Когда получающее приложение принимает фрейм, оно посылает

обратно подтверждающее сообщение, в котором содержится информация о

том, что фрейм прибыл и получатель готов к приему следующего

пронумерованного фрейма. Если посылающее приложение отправило все

фреймы, оно должно дождаться подтверждения получения одного из

назначенных номеров, прежде чем сможет отравить другой фрейм с тем же

номером.

Иногда оказывается более эффективным разрешить сетевым

устройствам корректировать размер окна. Это называется динамическим

(dynamic), плавающим (floating) или скользящим (sliding) оконным

управлением потоком данных Допустимое количество ожидающих

обработки фреймов изменяется в соответствии с текущим состоянием

приемника. Когда буфер приемника превышает определенный уровень,

приемник посылает «тормозной» пакет (choke packet). Этот пакет сообщает

отправителю о необходимости замедлить передачу. После удовлетворения

требования «тормозного» пакета посылающее приложение медленно

увеличивает скорость передачи до тех пор, пока не будет послан следующий

«тормозной» пакет. Таким образом, размер окна постоянно корректируется

вверх или вниз.

Управление с гарантированным уровнем потока данных (guaranted

rate flow control) настраивается до начала передачи данных. Посылающее и

принимающее приложения согласуют приемлемый уровень передачи, и этот

уровень поддерживается в течение всего диалога.

Контроль ошибок (error control) LLC-уровня сводится только к

уведомлению о потерянных или перемешанных фреймах. Возможны две

ситуации контроля ошибок LLC-уровня:

- произошел сбой при приеме пакета по указанному адресу

назначения Если посылающее приложение не получило подтверждения или

получило отрицательное- подтверждение - NAK при использовании сервиса,

ориентированного на соединение или сервиса с подтверждением без

установления соединения, отправитель предполагает, что произошла

ошибка, и пытается осуществить повторную передачу;

- контрольные суммы не совпадают. При приеме фрейма приемник

вычисляет контрольную сумму и сравнивает ее со значением, переданным

отравителем. Если два значения не совпадают, значит, ошибка в данных

и приемник может запросить повторную передачу фрейма.

Подуровень LLC канального уровня обеспечивает возможность

одновременного использования нескольких сетевых протоколов (из разных

стеков протоколов) при работе через один сетевой интерфейс. Другими

словами, если в компьютере установлена только одна сетевая карта, но есть

необходимость работать с различными сетевыми сервисами от разных

производителей, то клиентское сетевое программное обеспечение именно на

подуровне LLC обеспечивает возможность такой работы.

3.3. Сетевой уровень

Сетевой уровень определяет правила доставки данных между

логическими сетями, формирование логических адресов сетевых устройств,

определение и выбор маршрута, сервис соединений, функционирование

шлюзов (gateways).

Главной целью сетевого уровня является решение задачи перемещения

(доставки) данных в заданные точки сети. Это перемещение похоже на

перемещение, происходящее на канальном уровне модели OSI, где для

передачи данных используется физическая адресация устройств. Однако

адресация на канальном уровне относится только к одной логической сети.

Сетевой уровень описывает методы и средства передачи информации между

многими независимыми (и часто разнородными) логическими сетями,

которые, объединяясь, формируют одну большую сеть. Такая сеть

называется объединенной сетью (internetwork), а процессы передачи

информации между сетями — межсетевым взаимодействием (internetwok-

ing)

С помощью физической адресации на канальном уровне данные

доставляются всем устройствам, входящим в одну логическую сеть. Каждое

сетевое устройство, каждый компьютер определяют назначение принятых

данных. Если данные предназначены компьютеру, он их обрабатывает, если

же нет — игнорирует.

В отличие от канального, на сетевом уровне можно выбирать

конкретный маршрут в объединенной сети и избегать посылки данных в те

логические сети, куда данные не адресованы. Это осуществляется путем

коммутаций, адресации на сетевом уровне и с использованием алгоритмов

маршрутизации. Сетевой уровень также отвечает за обеспечение правильных

маршрутов для движения данных через объединенную сеть, состоящую из

разнородных сетей.

Элементы и методы реализации сетевого уровня определяются

следующими условиями:

- все логически отдельные сети должны иметь уникальные сетевые

адреса;

- коммутация определяет, как устанавливаются соединения через

объединенную сеть;

- должна существовать возможность реализовать маршрутизацию так,

чтобы компьютеры и маршрутизаторы определяли наилучший путь

прохождения данных через объединенную сеть;

- сеть будет выполнять различные уровни сервиса соединений в

зависимости от ожидаемого в рамках объединенной сети количества ошибок.

На этом уровне модели OSI работают маршрутизаторы и некоторые из

коммутаторов.

Сетевой уровень определяет правила формирования логических адресов

сетевых объектов (logical network address) и адресов сервисов (service ad-

dress) (рис. 3.13). В рамках большой объединенной сети каждый сетевой

объект должен обладать уникальным логическим адресом. В формировании

логического адреса участвуют два компонента: логический адрес сети,

общий для всех объектов сети, и логический адрес сетевого объекта,

уникальный для этого объекта. При формировании логического адреса

сетевого объекта может использоваться физический адрес объекта либо

определяться произвольный логический адрес. Использование логической

адресации позволяет организовать передачу данных между разными

логическими сетями.

Рис. 3.13

Каждый сетевой объект, каждый компьютер может выполнять много

сетевых функций одновременно, обеспечивая работу различных сервисов.

Для обращения к сервисам используется специальный идентификатор сер-

виса, который называется адресом сервиса, портом (port) или сокетом (socket).

При обращении к сервису идентификатор сервиса следует сразу за

логическим адресом компьютера, обеспечивающего работу сервиса. Адрес

сервиса определяет конкретный программный процесс верхнего уровня или

протокол. Любому компьютеру, на котором выполняется несколько сетевых

приложений, может быть назначено несколько адресов сервиса.

Во многих сетях группы логических адресов и идентификаторов

сервисов резервируются с целью выполнения конкретных заранее

определенных и общеизвестных действий. Например, в случае

необходимости отправить данные всем сетевым объектам, отправка данных

будет произведена на специальный broadcast – адрес.

Сетевой уровень определяет правила передачи данных между двумя

сетевыми объектами. Эта передача может осуществляться с использованием

коммутации или маршрутизации.

Различают три метода коммутации при передаче данных: коммутацию

каналов, коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.

При использовании коммутации каналов (Circuite Switching)

устанавливается канал передачи данных между отправителем и получателем,

который будет задействован в течение всего сеанса связи. Полный сквозной

путь должен быть установлен до начала коммуникации. Компьютер,

инициализирующий передачу данных, должен запросить соединение с

устройством-получателем. Как только соединение установлено, это

устройство выдает подтверждение о готовности к приему данных.

Преимущества метода коммутации каналов заключаются в следующем:

- формируется выделенный канал с гарантированной скоростью

передачи данных;

- практически нет никаких задержек доступа к каналу после

установления соединения.

Недостатки метода состоят в следующем:

- при выделении канала возможны длительные задержки, связанные с

отсутствием достаточной полосы пропускания, загруженностью

коммутационного оборудования или занятостью получателя;

- единый выделенный канал делает неэффективным использование

среды передачи;

- выделенные каналы относительно дороги с точки зрения расхода

времени, денег и используемого диапазона частот.

В отличие от коммутации каналов, коммутация сообщений (Message

switching) (рис. 3.14) не создает выделенного пути на все время диалога. При

использовании метода коммутации каналов диалоги делятся на сообщения.

К каждому сообщению добавляется собственный целевой адрес, а затем оно

передается через сеть от устройства к устройству. Промежуточные

устройства получают целые (не разбитые на части) сообщения, сохраняют

их, а затем при освобождении канала связи передают следующему

устройству. Этот тип функционирования сети иногда называют «сохранить и

передать дальше» (store-and-forward). Устройством коммутации сообщений

обычно является специализированный компьютер. Для временного хранения

поступающих сообщений (зачастую довольно длинных) требуется

достаточно емкая память. Этот тип коммутации вносит задержку,

обусловленную временем поиска следующего устройства и временем

сохранения и ретрансляции сообщения. Коммутация сообщений, или

методика «сохранить и передать дальше», хорошо подходит для передачи

сообщений электронной почты и организации электронного

документооборота.

Преимущества метода коммутации сообщений заключаются в

следующем:

- в отличие от метода коммутации каналов, пропускную способность

сети могут совместно использовать большое количество устройств;

- временное хранение сообщений может уменьшить перегрузку при

интенсивном трафике;

- низкоприоритетные сообщения могут быть задержаны и вначале

посланы сообщения с более высоким приоритетом;

- с помощью широковещательных адресов одно сообщение может быть

послано во многие пункты назначения;

- получателю не нужно присутствовать при отправке сообщения, что

особенно важно при общении абонентов, находящихся в разных часовых

поясах.

Недостатки метода заключаются в следующем:

- в несовместимости со многими приложениями реального времени,

такими как аудио- и видео коммуникации;

- коммуникация часто оказывается дорогостоящей, поскольку для

хранения потенциально длинных сообщений требуются диски большой

емкости.

При использовании коммутации пакетов (Packet Switching)

преимущества двух предыдущих методов объединяются. Каждое большое

сообщение разбивается на небольшие части, называемые пакетами. Каждый

пакет помечен соответствующими адресами источника, места назначения и

промежуточных узлов. Пакеты имеют строго определенную максимальную

длину и могут быть сохранены в оперативной памяти, а не на жестких

дисках, что уменьшает время доступа и снижает требования к емкости

дисков. Для каждого из пакетов определяется наилучший в этот момент

времени путь через объединенную сеть. Части одного сообщения могут

прийти к получателю в разное время, и только после того, как все части

будут собраны вместе, получатель может работать с полученными данными.

Существуют две разновидности коммутации пакетов коммутация

дейтаграммных пакетов и коммутация пакетов с помощью виртуальных

каналов.

Коммутация дейтаграммных пакетов (Datagram packet switching)

похожа на коммутацию сообщений в том смысле, что каждое сообщение

является самостоятельной единицей с полной адресной информацией.

Дейтаграммы могут проходить через сеть множеством возможных путей.

Таким образом, повышается вероятность того, что порядок прихода пакетов

может быть нарушен, поэтому каждому пакету присваивают порядковый

номер. Дейтаграммы направляются наиболее подходящим путем (рис. 3.15).

Каждое устройство выбирает наилучший (на данный момент) путь до

следующего узла. На приемном устройстве исходное сообщение

воссоздается: пакеты выстраиваются в соответствии с их порядковыми

номерами. Такой тип коммутации используется в ЛС с многоточечной

физической топологией.

Коммутация пакетов с помощью виртуальных каналов (Virtual Circuit

Packet Switching). Виртуальные каналы - это логические соединения между

отправителем и получателем. Логическое соединение формируется между

отправителем и получателем, когда они обмениваются сообщениями о

начале совместного диалога. Эти сообщения позволяют отправителю и

получателю согласовать такие параметры диалога, как максимальный размер

сообщения, путь, который будет использован при передаче, и другие

переменные для установления и поддержания диалога. Виртуальные каналы

обычно подразумевают ориентированный на соединение сервис

соединений. Виртуальные каналы могут быть временными, сохраняющимися

на протяжении одного диалога, или постоянными, действующими все время

работы передающего и принимающего компьютеров.

Главное различие между коммутацией дейтаграммных пакетов и

коммутацией пакетов с помощью виртуального канала состоит в логическом

соединении. Каждый виртуальный канал представляется пользователю как

двухточечная связь, однако в действительности это логический путь через

сетевую ассоциацию, где реализуются коммутация и контроль возможных

ошибок при передаче данных от узла к узлу.

Преимущества метода коммутации пакетов состоят в том, что такая

коммутация:

- эффективна по стоимости, так как устройствам не требуются емкие

хранилища информации;

- уменьшает задержки при передаче;

- обеспечивает передачу пакетов окружным путем, избегая

проблемных каналов связи;

- обеспечивает оптимальное использование пропускной способности

канала связи.

Недостатки метода заключаются в следующем:

- протоколы на основе метода коммутации пакетов обычно более

сложны и могут увеличить стоимость реализации;

- пакеты могут теряться, и тогда требуется их повторная передача.

Каждый раз при определении дальнейшего пути для данных

необходимо выбрать наилучший маршрут. Определение наилучшего пути

называется маршрутизацией (routing); ее выполняют маршрутизаторы

(router). Задача маршрутизаторов - определение возможных путей передачи

данных, поддержание маршрутной информации, выбор наилучших

маршрутов. Определение маршрута (Route Discovery) - это процесс,

используемый для идентификации маршрутов и поддержки маршрутных

таблиц (route table). Маршрутные таблицы - это списки, содержащие

следующий переходный пункт - маршрутизатор, в который направляются

пакеты по пути к целевому устройству. В маршрутные таблицы включаются

сетевые адреса в пути и оценка стоимости (cost) доставки пакетов до сети

назначения. Эта оценка рассчитывается с помощью алгоритмов

маршрутизации (routing algorithm).

Маршрутизация может осуществляться статическим либо

динамическим способом. При задании статической маршрутизации должны

быть вручную заданы все взаимосвязи между логическими сетями, которые

остаются неизменными. Динамическая маршрутизация предполагает, что

маршрутизатор может сам определять новые пути от одной сети к другой

либо модифицировать информацию о старых. Динамическая маршрутизация

использует специальные алгоритмы маршрутизации, наиболее известными

из которых являются вектор расстояния (distance vector) и состояние связи

(link state). Маршрутизаторы на основе вектора расстояния компилируют и

пересылают сетевые маршрутные таблицы другим маршрутизаторам,

которые закреплены за тем же самым сегментом среды передачи. Каждый,

маршрутизатор формирует собственную маршрутную таблицу, постоянно

передавая ее соседним маршрутизаторам и объединяя таблицы, полученные

от них. В первом случае маршрутизатор использует информацию о структуре

сети, полученную от соседних маршрутизаторов, из вторых рук. Во втором

случае маршрутизатор оперирует информацией о собственных каналах связи

и взаимодействует со специальным представительским маршрутизатором для

построения полной карты сети.

На выбор наилучшего маршрута чаще всего влияют такие факторы, как

количество переходов через маршрутизаторы (hop count) и количество тиков

(единиц времени), необходимых для достижения сети назначения (tick count).

Сервис соединений сетевого уровня работает тогда, когда сервис

соединений LLC-подуровня канального уровня модели OSI не используется.

При построении объединенной сети приходится соединять логические сети,

построенные с использованием различных технологий, предоставляющих

разнообразные сервисы. Для того чтобы сеть могла работать, логические сети

должны уметь правильно интерпретировать данные и управляющую

информацию. Эта задача решается с помощью шлюза, который представляет

собой устройство или прикладную программу, переводящую и

интерпретирующую правила одной логической сети в правила другой.

Вообще шлюзы могут быть реализованы на любом уровне модели OSI,

однако чаще всего они реализуются на верхних уровнях модели.

3.4. Транспортный уровень

Транспортный уровень позволяет спрятать физическую и логическую

структуры сети от приложений верхних уровней модели OSI. Приложения

работают только с сервисными функциями, достаточно универсальными и не

зависящими от физической и логической топологий сети. Особенности

логической и физической сетей реализуются на предыдущих уровнях, куда

транспортный уровень передает данные.