Мережевий рівень в першу чергу повинен надавати кошти для вирішення наступних завдань:
доставки пакетів у мережі з довільною топологією
структуризації мережі шляхом безпечно ізолювати трафіку
узгодження різних протоколів канального рівня.
Локалізація трафіка та ізоляція мереж
Трафік в мережі складається випадковим чином, однак в ньому відображені і деякі закономірності. Як правило, деякі користувачі, що працюють над спільним завданням, (наприклад, співробітники одного відділу) найчастіше звертаються із запитами або один до одного, або до загального сервера, і тільки іноді вони відчувають необхідність доступу до ресурсів комп'ютерів іншого відділу. Бажано, щоб структура мережі відповідала структурі інформаційних потоків. Залежно від мережного трафіку комп'ютери в мережі можуть бути розділені на групи (сегменти мережі). Комп'ютери об'єднуються в групу, якщо більша частина породжуваних ними повідомлень, адресована комп'ютерів цієї ж групи.
Для поділу мережі на сегменти використовуються мости і комутатори. Вони екранують локальний трафік усередині сегмента, не передаючи за його межі ніяких кадрів, крім тих, які адресовані комп'ютерів, що знаходяться в інших сегментах. Тим самим, мережа розпадається на окремі підмережі. Це дозволяє більш раціонально вибирати пропускну здатність наявних ліній зв'язку, з огляду на інтенсивність трафіка всередині кожної групи, а також активність обміну даними між групами.
Проте локалізація трафіку засобами мостів і комутаторів має суттєві обмеження.
З одного боку, логічні сегменти мережі, розташовані між мостами, недостатньо ізольовані один від одного, а саме, вони не захищені від, так званих, широкомовних штормів. Якщо будь-яка станція посилає широкомовне повідомлення, то це повідомлення передається всіх станціях всіх логічних сегментів мережі. Захист від широкомовних штормів в мережах, побудованих на основі мостів, має кількісний, а не якісний характер: адміністратор просто обмежує кількість широкомовних пакетів, яке дозволяється генерувати деякого вузла.
З іншого боку, використання механізму віртуальних сегментів, реалізованого в комутаторах локальних мереж, призводить до повної локалізації трафіку - такі сегменти повністю ізольовані один від одного, навіть щодо широкомовних кадрів. Тому в мережах, побудованих лише на мостах і комутаторах, комп'ютери, що належать різним віртуальним сегментах, не утворюють єдиної мережі.
Наведені недоліки мостів і комутаторів пов'язані з тим, що вони працюють по протоколах канального рівня, в яких у явному вигляді не визначається поняття частини мережі (або підмережі, або сегмента), яке можна було б використовувати при структуризації великої мережі. Замість того, щоб вдосконалити канальний рівень, розробники мережевих технологій вирішили доручити завдання побудови складовою мережі нового рівня - мережному.
Узгодження протоколів канального рівня
Сучасні обчислювальні мережі часто будуються з використанням декількох різних базових технологій - Ethernet, Token Ring чи FDDI. Така неоднорідність виникає або при об'єднанні вже існували раніше мереж, що використовують в своїх транспортних підсистемах різні протоколи канального рівня, або при переході до нових технологій, таких, як Fast Ethernet або 100VG-AnyLAN.
Саме для утворення єдиної транспортної системи, що об'єднує декілька мереж з різними принципами передачі інформації між кінцевими вузлами, і служить мережевий рівень. Коли дві або більше мереж організують спільну транспортну службу, то такий режим взаємодії зазвичай називають міжмережевим взаємодією (internetworking). Для позначення складовою мережі в англомовній літературі часто також використовується термін интерсеть (internetwork або internet).
Створення складної структурованої мережі, що інтегрує різні базові технології, може здійснюватися і засобами канального рівня: для цього можуть бути використані деякі типи мостів і комутаторів. Однак можливістю трансляції протоколів канального рівня володіють далеко не всі типи мостів і комутаторів, до того ж можливості ці обмежені. Зокрема, в об'єднуються мережах повинні збігатися максимальні розміри полів даних в кадрах, так як канальні протоколи, як правило, не підтримують функції фрагментації пакетів.
Маршрутизація в мережах з довільною топологією
Серед протоколів канального рівня деякі забезпечують доставку даних в мережах з довільною топологією, але тільки між парою сусідніх вузлів (наприклад, протокол PPP), а деякі - між будь-якими вузлами (наприклад, Ethernet), але при цьому мережа повинна мати топологію певного і дуже простого типу, наприклад, деревоподібну.
При об'єднанні в мережу декількох сегментів з допомогою мотовило або комутаторів продовжують діяти обмеження на її топологію: в получившейся мережі повинні бути відсутні петлі. Дійсно, міст або його функціональний аналог - комутатор - можуть вирішувати завдання доставки пакета адресата тільки тоді, коли між відправником та одержувачем існує єдиний шлях. У той же час наявність надлишкових зв'язків, які і утворюють петлі, часто необхідно для кращої балансування навантаження, а також для підвищення надійності мережі за рахунок існування альтернативного маршруту на додаток до основного.
Мережевий рівень дозволяє передавати дані між будь-якими, довільно пов'язаними вузлами мережі.
Реалізація протоколу мережевого рівня передбачає наявність у мережі спеціального пристрою - маршрутизатора. Маршрутизатори об'єднують окремі мережі в загальну складену мережу (рисунок 1.1). Внутрішня структура кожної мережі не показана, оскільки вона не має значення при розгляді мережевого протоколу. До кожного маршрутизатора можуть бути приєднані кілька мереж (принаймні дві).
У складних складових мережах майже завжди існує кілька альтернативних маршрутів для передачі пакетів між двома кінцевими вузлами. Завдання вибору маршрутів з декількох можливих вирішують маршрутизатори, а також кінцеві вузли.
Маршрут - це послідовність маршрутизаторів, які повинен пройти пакет від відправника до пункту призначення.
Маршрутизатор вибирає маршрут на підставі свого уявлення про поточну конфігурацію мережі і відповідного критерію вибору маршруту. Звичайно як критерію виступає час проходження маршруту, яке в локальних мережах збігається з довжиною маршруту, вимірюваної в кількості пройдених вузлів маршрутизації (в глобальних мережах приймається в розрахунок і час передачі пакету по кожній лінії зв'язку).
Рис. 1.1. Архітектура складовою мережі
Мережевий рівень і модель OSI
У моделі OSI, званої також моделлю взаємодії відкритих систем (Open Systems Interconnection - OSI) і розробленої Міжнародною Організацією за Стандартами (International Organization for Standardization - ISO), засоби мережевого взаємодії діляться на сім рівнів, для яких визначені стандартні назви та функції.
Мережевий рівень займає в моделі OSI проміжне становище: до його послуг звертаються протоколи прикладного рівня, сеансового рівня та рівня подання. Для виконання своїх функцій мережевий рівень викликає функції канального рівня, який у свою чергу звертається до засобів фізичного рівня.
Розглянемо коротко основні функції рівнів моделі OSI.
Фізичний рівень виконує передачу бітів по фізичних каналах, таким, як коаксіальний кабель, вита пара або оптичне волокно. На цьому рівні визначаються характеристики фізичних серед передачі даних і параметрів електричних сигналів.
Канальний рівень забезпечує передачу кадру даних між будь-якими вузлами в мережах з типовою топологією або між двома сусідніми вузлами в мережах з довільною топологією. У протоколах канального рівня закладена певна структура зв'язків між комп'ютерами і способи їх адресації. Адреси, що використовуються на канальному рівні в локальних мережах, часто називають МАС-адресами.
Мережевий рівень забезпечує доставку даних між будь-якими двома вузлами в мережі з довільною топологією, при цьому він не бере на себе ніяких зобов'язань по надійності передачі даних.
Транспортний рівень забезпечує передачу даних між будь-якими вузлами мережі з необхідним рівнем надійності. Для цього на транспортному рівні є засоби встановлення з'єднання, нумерації, буферизації і впорядкування пакетів.
Сеансовий рівень надає засоби управління діалогом, що дозволяють фіксувати, яка з взаємодіючих сторін є активною в даний момент, а також надає засоби синхронізації в рамках процедури обміну повідомленнями.
Рівень подання. На відміну від нижчих рівнів, які мають справу з надійної та ефективної передачею бітів від відправника до одержувача, рівень представлення має справу з зовнішнім поданням даних. На цьому рівні можуть виконуватися різні види перетворення даних, такі як компресія і декомпресія, шифрування та дешифрування даних.
Прикладний рівень - це по суті набір різноманітних мережевих сервісів, що надаються кінцевим користувачам і додаткам. Прикладами таких сервісів є, наприклад, електронна пошта, передача файлів, підключення віддалених терміналів до комп'ютера по мережі.
При побудові транспортної підсистеми найбільший інтерес представляють функції фізичного, канального і мережевого рівнів, тісно пов'язані з використовуваним в даній мережі обладнанням: мережевими адаптерами, концентраторами, мостами, комутаторами, маршрутизаторами. Функції прикладного і сеансового рівнів, а також рівня представлення реалізуються операційними системами і системними додатками кінцевих вузлів. Транспортний рівень виступає посередником між цими двома групами протоколів.
Функції мережевого рівня
Протоколи канального рівня не дозволяють будувати мережі з розвиненою структурою, наприклад, мережі, що об'єднують декілька мереж підприємства в єдину мережу, або високонадійні мережі, в яких існують надмірні зв'язки між вузлами. Для того, щоб, з одного боку, зберегти простоту процедур передачі пакетів для типових топологій, а з іншого боку, допустити використання довільних топологій, вводиться додатковий мережевий рівень.
Перш, ніж приступити до розгляду функцій мережевого рівня, уточнимо, що розуміється під терміном "мережа". У протоколах мережного рівня термін "мережа" означає сукупність комп'ютерів, з'єднаних між собою відповідно до однієї з стандартних типових топологій і використовуючих для передачі пакетів загальну базову мережеву технологію. Усередині мережі сегменти не розділяються маршрутизаторами, інакше це була б не одна мережа, а кілька мереж. Маршрутизатор з'єднають декілька мереж в интромережу.
Основна ідея введення мережного рівня полягає в тому, щоб залишити технології, використовувані в об'єднуються мережах у незмінному у вигляді, але додати в кадри канального рівня додаткову інформацію - заголовок мережевого рівня, на підставі якої можна було б знаходити адресата в мережі з будь-якої базової технологією. Заголовок пакета мережного рівня має уніфікований формат, що не залежить від форматів кадрів канального рівня тих мереж, які можуть входити в об'єднану мережу.
Тема мережевого рівня повинен містити адресу призначення та іншу інформацію, необхідну для успішного переходу пакету з мережі одного типу в мережу іншого типу. До такої інформації може ставитися, наприклад:
номер фрагмента пакету, потрібний для успішного проведення операцій збирання-розбирання фрагментів при з'єднанні мереж з різними максимальними розмірами кадрів канального рівня
час життя пакету, яке вказує, як довго він подорожує по інтермережі, цей час може використовуватися для знищення "заблудлих" пакетів
інформація про наявність та про стан зв'язків між мережами, що допомагає вузлам мережі і маршрутизаторам раціонально вибирати міжмережеві маршрути
інформація про завантаженість мереж, також допомагає узгодити темп посилки пакетів в мережу кінцевими вузлами з реальними можливостями ліній зв'язку на шляху проходження пакетів
якість сервісу - критерій вибору маршруту при міжмережевих передачах - наприклад, вузол-відправник може вимагати передати пакет з максимальною надійністю, можливо на шкоду часу доставки
В якості адрес відправника і одержувача в складовою мережі використовується не МАС-адресу, а пара чисел - номер мережі і номер комп'ютера в цій мережі. У канальних протоколах полі "номер мережі" зазвичай відсутня - передбачається, що всі вузли належать одній мережі. Явна нумерація мереж дозволяє протоколах мережного рівня складати точну карту міжмережевих зв'язків і вибирати раціональні маршрути за будь-якої їх топології, використовуючи альтернативні маршрути, якщо вони є, що не вміють робити мости.
Таким чином, всередині мережі доставка повідомлень регулюється канальним рівнем. А ось доставкою пакетів між мережами займається мережевий рівень.
Існує два підходи до призначення номера вузла в заголовку мережного пакета. Перший заснований на використанні для кожного вузла нової адреси, відмінного від того, який використовувався на канальному рівні. Перевагою такого підходу є його універсальність і гнучкість - яким би не був формат адреси на канальному рівні, формат адреси вузла на мережевому рівні вибирається єдиним. Однак, тут є і деякі незручності, пов'язані з необхідністю заново нумерувати вузли, причому найчастіше вручну.
Другий підхід полягає у використанні на мережевому рівні того ж адреси вузла, що був даний йому на канальному рівні. Це позбавляє адміністратора від додаткової роботи з присвоєння нових адрес, знімає необхідність у встановленні відповідності між мережним і канальним адресою одного і того ж вузла, але може породити складне завдання інтерпретації адреси вузла при з'єднанні мереж з різними форматами адрес.
Протоколи передачі даних і протоколи обміну маршрутною інформацією
Для того, щоб мати інформацію про поточну конфігурацію мережі, маршрутизатори обмінюються маршрутною інформацією між собою по спеціальному протоколу. Протоколи цього типу називаються протоколами обміну маршрутною інформацією (або протоколами маршрутизації). Протоколи обміну маршрутною інформацією слід відрізняти від, власне, протоколів мережевого рівня. У той час як перші несуть чисто службову інформацію, другі призначені для передачі призначених для користувача даних, також, як це роблять протоколи канального рівня.
Для того, щоб доставити віддаленого маршрутизатора пакет протоколу обміну маршрутною інформацією, використовується протокол мережевого рівня, так як тільки він може передати інформацію між маршрутизаторами, які у різних мережах. Пакет протоколу обміну маршрутною інформацією міститься в полі даних пакета мережного рівня, тому з точки зору вкладеності пакетів протоколи маршрутизації слід віднести до більш високого рівня, ніж мережевий. Але функціонально вони вирішують загальну задачу з пакетами мережевого рівня - доставляють кадри адресата через різнорідну складену мережу.
За допомогою протоколів обміну маршрутною інформацією маршрутизатори складають карту міжмережевих зв'язків тій чи іншій мірі подробиці і приймають рішення про те, якому наступному маршрутизатору потрібно передати пакет для утворення раціонального шляху.
На мережевому рівні працюють протоколи ще одного типу, які відповідають за відображення адреси вузла, що використовується на мережевому рівні, в локальну адресу мережі. Такі протоколи часто називають протоколами дозволу адрес - Address Resolution Protocol, ARP. Іноді їх відносять не до мережевого рівня, а до канального, хоча тонкощі класифікації не змінюють їх суті.
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайтаhttp: / / al.km.ru / sample_tcpip.html http://al.km.ru/