Глава 2 Канальный уровень
Введение
Из рисунка 1.4 видно, что основная задача канального уровня в семействе протоколов TCP/IP - посылать и принимать (1) IP датаграммы для IP модуля, (2) ARP запросы и отклики для ARP модуля, и (3) RARP запросы и отклики для RARP модуля. TCP/IP поддерживает различные канальные уровни, в зависимости от того какой тип сетевого аппаратного обеспечения используется: Ethernet, Token ring, FDDI (Fiber Distributed Data Interface), последовательные линии RS-232, и так далее.
В этой главе мы подробно рассмотрим канальный уровень Ethernet, два специализированных канальных уровня для последовательных интерфейсов (SLIP и PPP) и драйвер loopback, который присутствует практически во всех реализациях. Ethernet и SLIP это канальные уровни, используемые для большинства примеров в данной книге. Также мы рассмотрим максимальный блок передачи (MTU - Maximum Transmission Unit), который является характеристикой канального уровня и к которой мы обращаемся много раз в этой главе и в следующих. Также мы покажем некоторые расчеты, с помощью которых можно выбрать MTU для последовательной линии.
Ethernet и IEEE 802 инкапсуляция
Термин Ethernet обычно означает стандарт, опубликованный в 1982 году компаниями Digital Equipment Corp., Intel Corp., и Xerox Corp. В настоящее время это основная технология применяемая в локальных сетях использующих TCP/IP. В Ethernet используется метод доступа, называемый CSMA/CD, что обозначает наличие несущей (Carrier Sense), множественный доступ (Multiple Access) с определением коллизий (Collision Detection). Обмен осуществляется со скоростью 10 Мбит/сек, с использованием 48-битных адресов.
Несколько лет спустя Комитет 802 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике ( IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers) опубликовал отличающийся набор стандартов. 802.3 описывает полный набор сетей CSMA/CD, 802.4 описывает сети с передачей маркера и 802.5 описывает сети Token ring. Общим для всех них является стандарт 802.2, который определяет управление логическим каналом ( LLC - Logical link control) и который является общим для большинства сетей 802. К сожалению, комбинация 802.2 и 802.3 определяет форматы фрейма отличные от Ethernet ( описывает все детали стандартов IEEE 802).
В мире TCP/IP инкапсуляция IP датаграмм определена в RFC 894 для сетей Ethernet и в RFC 1042 для сетей IEEE 802. В Host Requirements RFC к каждому компьютеру, подключенному к Internet через кабель Ethernet 10 Мбит/сек, предъявляются следующие требования:
Наиболее широко используется инкапсуляция RFC 894. На рисунке 2.1 показаны два различных метода инкапсуляции. Цифры под каждым квадратиком на рисунке это размер в байтах.
В обоих форматах фрейма используется 48-битовый (6-байтовый) формат представления адресов источника и назначения (802.3 позволяет использование 16-битных адресов, однако обычно используются 48-битные). Это как раз то, что мы называем по тексту аппаратными адресами (hardware addresses). Протоколы ARP и RARP (см. главу 4 и главу 5) устанавливают соответствие между 32-битными IP адресами и 48-битными аппаратными адресами.
Следующие 2 байта в этих форматах фрейма различаются. Поле длины (length) 802 содержит количество следующих за ним байтов, однако не содержит в конце контрольной суммы. Поле тип (type) в Ethernet определяет тип данных, которые следуют за ним. Во фрейме 802 то же поле типа (type) появляется позже в заголовке протокола доступа к подсети (SNAP - Sub-Network Access Protocol). К счастью, величины, находящиеся в поле длины (length) 802, никогда не совпадают с величинами, находящимися в поле типа (type) Ethernet, поэтому эти два формата фрейма легко различимы.
Во фрейме Ethernet данные следуют сразу после поля тип (type), тогда как во фрейме 802 за ним следуют 3 байта LLC 802.2 и 5 байт SNAP 802.2. Поля DSAP (точка доступа к сервису назначения - Destination Service Access Point) и SSAP (точка доступа к сервису источника - Source Service Access Point) оба установлены в 0xAA. Поле ctrl установлено в 3. Следующие 3 байта, org code установлены в 0. Затем идет 2-байтовое поле тип (type), такое же, как мы видели в формате фрейма Ethernet (дополнительные значения, которые могут появиться в поле типа, описаны в RFC 1340 ).
Поле контрольной суммы ( CRC) определяет ошибки, возникшие при транспортировке фрейма (также оно иногда называется FCS или последовательность контроля фрейма - frame check sequence).
Минимальный размер фреймов 802.3 и Ethernet требует, чтобы размер данных был хотя бы 38 байт для 802.3 или 46 байт для Ethernet. Чтобы удовлетворить этому требованию, иногда вставляются байты заполнения, для того чтобы фрейм был соответствующей длины.
Мы еще столкнемся с минимальным размером, когда будем рассматривать движение пакетов по кабелям. Также мы еще не раз обратимся к инкапсуляции Ethernet, потому что это, пожалуй, самая широко распространенная форма инкапсуляции.
Рисунок 2.1 Инкапсуляция IEEE 802.2/802.3 (RFC 1042) и инкапсуляция Ethernet (RFC 894).
Инкапсуляция завершителей
На рисунке 2.5 приведен список некоторых типичных значений MTU, взятых из RFC 1191 . Здесь приведены MTU для каналов точка-точка (таких как SLIP или PPP), однако они не являются физической характеристикой среды передачи. Это логическое ограничение, при соблюдении которого обеспечивается адекватное время отклика при диалоговом использовании. В разделе главы 2 мы рассмотрим, откуда берется это ограничение.
В разделе "Команда netstat" главы 3 мы воспользуемся командой netstat, чтобы определить MTU для определенного интерфейса.
Network |
MTU (байты) |
| Hyperchannel | |
| 16 Мбит/сек Token ring (IBM) | |
| 4 Мбит/сек Token ring (IEEE 802.5) | |
| FDDI | |
| Ethernet | |
| IEEE 802.3/802.2 | |
| X.25 | |
| Точка-точка (с маленькой задержкой) |
Рисунок 2.5 Типичные значения максимальных блоков передачи (MTU).
Транспортный MTU
Когда общаются два компьютера в одной и той же сети, важным является MTU для этой сети. Однако, когда общаются два компьютера в разных сетях, каждый промежуточный канал может иметь различные MTU. В данном случае важным является не MTU двух сетей, к которым подключены компьютеры, а наименьший MTU любого канала данных, находящегося между двумя компьютерами. Он называется транспортным MTU (path MTU).
Транспортный MTU между любыми двумя хостами может быть не постоянным. MTU зависит от загруженности канала на настоящий момент. Также он зависит от маршрута. Маршрут может быть несимметричным (маршрут от A до B может быть совсем не тем, что маршрут от B к A), поэтому MTU может быть неодинаков для этих двух направлений.
RFC 1191 описывает механизм определения транспортного MTU (path MTU discovery mechanism). Мы рассмотрим как функционирует этот механизм после того, как опишем фрагментацию ICMP и IP. В разделе "ICMP ошибки о недоступности" главы 11 мы подробно рассмотрим ошибку недоступности ICMP, которая используется в этом механизме, а в разделе "Определение транспортного MTU с использованием Traceroute" главы 11 мы покажем версию программы traceroute, которая использует механизм определения транспортного MTU до пункта назначения. В разделах "Определение транспортного MTU при использовании UDP" главы 11 и "Определение транспортного MTU" главы 24 показано, как функционируют UDP и TCP, когда реализация поддерживает определение MTU.
Вычисление загруженности последовательной линии
Если скорость в линии составляет 9600 бит/сек, при этом 1 байт составляет 8 бит плюс 1 старт-бит и 1 стоп-бит, скорость линии будет 960 байт/сек. Передача пакета размером 1024 байта с этой скоростью займет 1066 мс. Если мы используем SLIP канал для диалогового приложения и одновременно с ним работает такое приложение как FTP, которое посылает или принимает пакеты по 1024 байт, мы должны ждать, так как среднее время задержки нашего интерактивного пакета составит 533 мс.
Это означает, что наш диалоговый пакет будет послан по каналу перед любым другим "большим" пакетом. Большинство SLIP приложений предоставляют разделение пакетов по типу сервиса, отправляя диалоговый трафик перед трафиком передачи данных. Диалоговый трафик это, как правило, Telnet, Rlogin и управляющая часть (пользовательские команды, но не данные) FTP.
Естественно, что такое разделение по сервисам несовершенно. Оно не оказывает никакого воздействия на неинтерактивный трафик, который уже поставлен в очередь на передачу (например, последовательным драйвером). Новые модели модемов, которые имеют большие буферы и позволяют сбуферизировать неинтерактивный трафик в буфере модема, что также сказывается на задержке диалогового трафика.Ожидание в 533 мс неприемлемо для диалогового ответа. С точки зрения человеческого фактора мы знаем, что неприемлемой является задержка дольше чем 100-200 мс [ Jacobson 1990a]. Под задержкой подразумевается время между отправкой пакета и возвращением отклика (как правило, эхо символа).
Уменьшение MTU в канале SLIP до 256 означает, что максимальное время, в течение которого канал может быть занят одним фреймом, составляет 266 мс, и половина от этого (наше среднее время ожидания) составляет 133 мс. Это лучше, однако до сих пор не идеально. Причина, по которой мы выбрали это значение (как сравниваются 64 и 128), заключается в том, чтобы обеспечить лучшее использование канала для передачи данных (как, например, при передаче большого файла). В случае CSLIP фрейма размером 261 байт с заголовком размером в 5 байт (256 байт данных), 98,1% линии используются для передачи данных и 1,9% на заголовки. Уменьшение MTU меньше чем 256 уменьшает максимальное значение пропускной способности линии, которую мы можем получить при передаче данных.
Значение MTU равное 296 для канала точка-точка (рисунок 2.5), подразумевает 256 байт данных и 40 байт TCP и IP заголовков. Так как MTU это величина, о которой IP узнает от канального уровня, это значение должно включать в себя стандартные заголовки TCP и IP. Именно таким образом IP принимает решение о фрагментации. IP ничего не знает о сжатии заголовков, которое осуществляются CSLIP.
Наш расчет средней задержки (половина того времени, которое требуется на передачу фрейма максимального размера) имеет отношение только к каналу SLIP (или каналу PPP), который используется для передачи интерактивного трафика и трафика данных. Когда идет обмен только интерактивным трафиком, время передачи одного байта данных в каждом направлении (в случае сжатого 5-байтового заголовка) составляет примерно 12,5 мс, при скорости 9600 бит/сек. Это хорошо укладывается в диапазон 100-200 мс, о котором мы упоминали ранее. Также заметьте, что сжатие заголовков с 40 до 5 байт уменьшает время задержки для одного байта с 85 до 12,5 мс.
К сожалению, эти расчеты становятся не совсем верными, когда используется коррекция ошибок и сжатие в модемах. Сжатие в модемах уменьшает количество байт, которые посылаются по линии, однако исправление ошибок может увеличить время передачи этих байт. Однако эти расчеты дают нам исходную точку, для того чтобы принять разумное решение.
В следующих главах мы будем использовать эти расчеты для последовательных линий, чтобы определить некоторые величины таймеров, которые используются при передаче пакетов по последовательным линиям.
Краткие выводы
В этой главе рассматривался самый нижний уровень из семейства протоколов Internet, канальный уровень. Мы рассмотрели различие между Ethernet и IEEE 802.2/802.3 инкапсуляциями, и инкапсуляцию, которая используется в SLIP и PPP. Так как оба SLIP и PPP часто используются на медленных каналах, они предоставляют методы, для сжатия общих полей (которые практически всегда неизменны). При этом улучшается время отклика.
Интерфейс loopback существует в большинстве разработок. Доступ к этому интерфейсу может быть получен через специальный адрес, обычно 127.0.0.1, или путем посылки IP датаграмм на один из собственных IP адресов хоста. Данные, отправленные в loopback интерфейс, полностью обрабатываются транспортным уровнем и IP, когда они проходят по петле по стеку протоколов.
Мы описали важную характеристику большинства канальных уровней, MTU и соответствующую концепцию транспортного MTU. Используя стандартный MTU для последовательных линий, мы вычислили временную задержку, которая существует в каналах SLIP и CSLIP.
В этой главе рассматривается только несколько общих канальных технологий, используемых сегодня в TCP/IP. Одна из причин, по которой TCP/IP успешно используется, это возможность работать поверх практически любых канальных технологий.
Упражнения
Если Ваша система поддерживает команду netstat(1) (см. главу 3, раздел "Команда netstat"), используйте ее, чтобы определить интерфейсы в Вашей системе и их MTU.Вспомним функции канального уровня:
Управление доступом к среде (физическому уровню) передачи,
Физическая адресация узлов (MAC)
Обеспечение сервиса для протоколов более высокого уровня (Service Access Point)
Упорядочивание кадров (фреймов), буферизация
Учет топологии сети
Управление потоком данных
Определение способа взаимодействия источника и приемника (связь с установлением соединения или нет)
Назначение протоколов уровня каналов данных – предоставление сетевому уровню услуг по передаче пакетов от узла источника до узла приемника оптимальным способом с учетом особенностей среды передачи и топологии сети на физическом уровне.
Возможна обработка ошибок передачи.
Протоколы этого уровня обеспечивают управление потоком данных, согласование пропускной способности физических каналов и буферизацию данных.
Единица данных уровня - кадры, инкапсулирующие пакеты сетевого уровня и преобразуемые в битовые потоки на физическом уровне.
Сервисы, предоставляемые сетевому уровню:
доставка данных между сетевыми уровнями узлов.
Типы сервиса:
Без установления соединения и без подтверждения доставки;
Без установления соединения с подстерждением доставки;
С установлением содинения.
Поступающие с сетевого уровня пакеты должны инкапсулироваться в кадры канального уровня. Формат кадра Ethernet (Ethernet-II или DIX) следующий:
Рассмотрим элементы кадра.
Преамбула (Preamble) не несет полезной информации. Генерируемый при её передаче в физической среде сигнал извещает принимающие устройства о необходимости быть готовым к приему.
SFD (Start of Frame Delimiter) разделитель начала кадра тоже не несет полезной информации (в первых версиях разделитель считался частью преамбулы). Он позволяет приемнику точно определить момент начала передачи полезных данных.
Эти два элемента кадра явным образом предназначены для обеспечения правильной работы нижнего – физического уровня.
Адрес получателя DA (Destination Address) содержит уникальный MAC – адрес устройства, которому адресован данный кадр или специальный адрес для широковещательной рассылки пакетов.
Остановимся на структуре MAC – адреса подробнее.
Этот адрес всегда состоит из 6 байт или 48 бит. Для его записи обычно используется шестнадцатеричная форма ХХ:ХХ:ХХ:ХХ:ХХ:ХХ.
Значения первых двух бит в первом байте - признак уникального адреса, остальные байты задают адрес конкретного сете вого адаптера. Уникальность адресации адаптеров обеспечивается специ альным соглашением, по которому каждому производителю аппаратуры выделяется свое значение (одно или несколько) кода OUI (Organizationally Unique Identifier – уникальный идентификатор организации ) - 22 бита из байтов 1-3 . Байты 4-6 заполняются изготовителем - на нем лежит ответственность за их уникальность (эта информация может рас сматриваться как серийный номер платы).
Для осуществления широковещательной рассылки используется специальное значение MAC – адреса FF-FF-FF-FF-FF-FF. Переданный пакет будет принят и обработан всеми станциями, которые находятся в локальной сети.
Адрес источника SA (Source Address) содержит МАС-адрес узла, пославшего кадр. Адрес широковещательной рассылки FF-FF-FF-FF-FF-FF использоваться здесь не может.
Тип несет данные о протоколе сетевого уровня.
Данные Data несет полезную информацию более высокого уровня
Контрольная сумма FCS (Frame Check Sequence) содержит CRC-код, подсчитанный для всех полей с DA no Data включительно. Этот код вычисляется адаптером при передаче кадра и при приеме. CRC, подсчитанный при приеме, должен совпасть со значением, принятым из кадра, в противном случае кадр считается искаженным и отбрасывается.
Рассмотренный нами формат кадра правильно называть форматом Ethernet-II или Ethernet DIX по имени компаний Digital, Intel и Xerox, согласовавших и опубликовавших его в 1980 году. Это был последний «фирменный» стандарт для Ethernet.
Канальный уровень (data link layer) обеспечивает прозрачность соединения для сетевого уровня. Для этого он предлагает ему следующие услуги:
Установление логического соединения между взаимодействующими узлами;
Согласование в рамках соединения скоростей передатчика и приемника информации;
Обеспечение надежной передачи, обнаружение и коррекция ошибок.
Для решения этих задач канальный уровень формирует из пакетов собственные протокольные единицы данных - кадры, состоящие из поля данных и заголовка. Канальный уровень помещает пакет в поле данных одного или нескольких кадров и заполняет собственной служебной информацией заголовок кадра.
В сетях, построенных на основе разделяемой среды, физический уровень выполняет еще одну функцию - проверяет доступность разделяемой среды. Эту функцию иногда выделяют в отдельный подуровень управления доступом к среде (Medium Access Control, MAC).
Рассмотрим более подробно работу канального уровня, начиная с момента, когда сетевой уровень отправителя передает канальному уровню пакет, а также указание, какому узлу его передать. Для решения этой задачи канальный уровень создает кадр, который имеет поле данных и заголовок. Канальный уровень помещает (инкапсулирует) пакет в поле данных кадра и заполняет соответствующей служебной информацией заголовок кадра. Важнейшей информацией заголовка кадра является адрес назначения, на основании которого коммутаторы сети будут продвигать пакет.
Одной из задач канального уровня является обнаружение и коррекция ошибок. Канальный уровень может обеспечить надежность передачи, например, путем фиксирования границ кадра, помещая специальную последовательность битов в его начало и конец, а затем добавляя к кадру контрольную сумму. Контрольная сумма вычисляется по некоторому алгоритму как функция от всех байтов кадра. На стороне получателя канальный уровень группирует биты, поступающие с физического уровня, в кадры, снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой, переданной в кадре. Если они совпадают, кадр считается правильным. Если же контрольные суммы не совпадают, фиксируется ошибка.
В функции канального уровня входит не только обнаружение ошибок, но и их исправление за счет повторной передачи поврежденных кадров. Однако эта функция не является обязательной и в некоторых реализациях канального уровня она отсутствует, например, в Ethernet.
Прежде чем переправить кадр физическому уровню для непосредственной передачи данных в сеть, канальному уровню может потребоваться решить еще одну важную задачу. Если в сети используется разделяемая среда, то прежде чем физический уровень начнетпередавать данные, канальный уровень должен проверить доступность среды. Как уже отмечалось, функции проверки доступности разделяемой среды иногда выделяют в отдельный подуровень управления доступом к среде (подуровень MAC).
Если разделяемая среда освободилась (когда она не используется, то такая проверка, конечно, пропускается), кадр передается средствами физического уровня в сеть, проходит по каналу связи и поступает в виде последовательности битов в распоряжение физического уровня узла назначения. Этот уровень в свою очередь передает полученные биты «наверх» канальному уровню своего узла.
Протокол канального уровня обычно работает в пределах сети, являющейся одной из составляющих более крупной составной сети, объединенной протоколами сетевого уровня. Адреса, с которыми работает протокол канального уровня, используются для доставки кадров только в пределах этой сети, а для перемещения пакетов между сетями применяются уже адреса следующего, сетевого, уровня.
В локальных сетях канальный уровень поддерживает весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня локальных сетей оказываются самодостаточными транспортными средствами и могут допускать работу непосредственно поверх себя протоколов прикладного уровня или приложений без привлечения средств сетевого и транспортного уровней. Тем не менее для качественной передачи сообщений в сетях с произвольной топологией функций канального уровня оказывается недостаточно.
Подуровень Управление логической связью (Logical Link Control, LLC) устанавливает и разрывает канал связи, управляет потоком данных, производит упорядочение и вырабатывает подтверждение
приема кадров.
Подуровень Управление доступом к среде (Media Access Control, MAC) контролирует доступ к среде передачи, определяет границы кадров, обнаруживает ошибки, распознает адреса кадров. Он также
обеспечивает совместный доступ плат СА к Физическому уровню. Этот подуровень напрямую связан с платой СА и отвечает за безошибочную передачу данных между двумя компьютерами сети.
В сетевой среде, протокол - это правила и технические процедуры, позволяющие нескольким компьютерам общаться друг с другом.
Различают три определяющих свойства протоколов:
1. Каждый протокол предназначен для различных задач и имеет свои преимущества и недостатки.
2. Протоколы работают на разных уровнях модели OSI. Функции протокола определяются уровнем, на котором он работает.
3. Несколько протоколов могут работать совместно. В этом случае они образуют так называемый стек, или набор протоколов. Как сетевые функции распределяются по всем уровням модели OSI, так и протоколы совместно работают на различных уровнях стека.
Данные, передаваемые из одной локальной сети в другую по одному из возможных маршрутов, называются маршрутизированными , а протоколы, поддерживающие передачу данных между сетями по нескольким маршрутам, - маршрутизируемыми .
TCP/IP - стандартный промышленный набор протоколов, обеспечивающий связь в неоднородной среде, т.е. между компьютерами разных типов. У TCP/IP есть два главных недостатка: большой размер и недостаточная скорость работы. Но для современных ОС это не является проблемой, а скорость работы сравнима со скоростью работы протокола IPX.
Стек TCP/IP включает и другие протоколы:
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - для обмена E-mail;
FTP (File Transfer Protocol) - для обмена файлами;
SNMP (Simple Network Management Protocol) - для управления сетью.
Протокол TCP/IP в точности не соответствует модели OSI. Вместо семи уровней в нем используется только четыре:
1. Уровень сетевого интерфейса.
3. Транспортный уровень.
4. Прикладной уровень.
Уровень сетевого интерфейса , относящийся к Физическому и Канальному уровням модели OSI, напрямую взаимодействует с сетью.
Межсетевой уровень , относящийся к Сетевому уровню модели OSI, использует несколько протоколов для маршрутизации и доставки пакетов. Для этого используются маршрутизаторы, которые работают на Сетевом уровне и могут переадресовывать и маршрутизировать пакеты через множество сетей, обмениваясь информацией между отдельными сетями.
Транспортный уровень , соответствующий Транспортному уровню модели OSI, отвечает за установку и поддержание соединения между двумя хостами.
Прикладной уровень , соответствующий Сеансовому, Представительскому и Прикладному уровням модели OSI, соединяет в сети приложения.
Сеть архитектуры клиент-сервер - это сетевая среда, в которой компьютер-клиент инициирует запрос компьютеру-серверу, выполняющему этот запрос. В модели клиент-сервер ПО клиента использует язык структурированных запросов SQL (Structured Query Language), который переводит запрос с языка, понятного пользователю, на язык, понятный машине. SQL близок к естественному английскому.
Клиент (пользователь) генерирует запрос с помощью интерфейсного приложения, которое обеспечивает интерфейс пользователя, формирует запросы и отображает данные, полученные с сервера.
Сервер в клиент-серверной среде обычно предназначен для хранения данных и управления ими. Именно сервер выполняет большинство операций с данными. Сервер называют также прикладной
частью модели клиент-сервер, так как именно он выполняет запросы клиентов. Обработка данных на сервере состоит из их сортировки, извлечения затребованной информации и отправки ее по адресу
пользователя. ПО предусматривает также обновление, удаление, добавление и защиту информации.
Слово Internet происходит от выражения interconnected networks (связанные сети). Это глобальное сообщество малых и больших сетей. В широком смысле - это глобальное информационное
пространство, хранящее огромное количество информации на миллионах компьютеров, которые обмениваются данными.
Подключение к Интернету домашнего компьютера выполняется, как правило, с помощью модема.
При этом чаще всего осуществляется так называемое сеансовое соединение с провайдером по телефонной линии. Набирается один из телефонных номеров, предоставленных провайдером, для соединения с одним из его модемов. У провайдера имеется набор модемов, так называемый модемный пул. После того, как вы соединились с ISP (Internet Service Provider), ваш компьютер становится частью сети данного ISP Каждый провайдер имеет свою магистральную линию или backbone.
Провайдеры подключаются к так называемым точкам доступа NAP (Network Access Points) в разных городах, и трафик между двумя сетями течет через NAP. Аналогично организуется подключение к другим магистральным сетям, в результате чего образуется объединение множества сетей высокого уровня.
Доставка информации по нужному адресу выполняется с помощью маршрутизаторов , определяющих, по какому маршруту передавать информацию. Маршрутизатор - это устройство, которое работает с несколькими каналами, направляя в выбранный канал очередной блок данных. Выбор канала осуществляется по адресу, указанному в заголовке поступившего сообщения.
Различают два типа протоколов: базовые и прикладные . Базовые протоколы отвечают за физическую пересылку сообщений между компьютерами в сети Internet. Это протоколы IP и TCP.
Прикладными называют протоколы более высокого уровня, они отвечают за функционирование специализированных служб. Например, протокол HTTP служит для передачи гипертекстовых сообщений, протокол FTP - для передачи файлов, SMTP - для передачи электронной почты.
Набор протоколов разных уровней, работающих одновременно, называют стеком протоколов . Каждый нижележащий уровень стека протоколов имеет свою систему правил и предоставляет сервис
вышележащим. Аналогично каждый протокол в стеке протоколов выполняет свою функцию, не заботясь о функциях протокола другого уровня.
На нижнем уровне используются два основных протокола: IP (Internet Protocol - протокол Интернет) и TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей).
Протокол IP осуществляет перемещение данных в сети, а протокол TCP обеспечивает надежную доставку данных, используя систему кодов, исправляющих ошибки.
Каждому компьютеру, подключенному к Интернету, присваивается идентификационный номер, который называется IP-адресом.
Присвоение адреса компьютеру на время сеанса связи называется динамическим .
IP-адрес имеет формат ххх.ххх.ххх.ххх, где ххх - числа от 0 до 255.Четыре числа в IP-адресе называются октетами, поскольку в каждом из них при двоичном представлении имеется восемь разрядов: 4 8=32. Октеты делят на две секции: Net и Host. Net-секция используется для того, чтобы определить сеть, к которой принадлежит компьютер. Host, который называют узлом, определяет конкретный компьютер в сети.
В доменной системе имен реализуется принцип назначения имен с определением ответственности за их подмножество соответствующих сетевых групп.
Для перевода буквенного доменного имени в IP-адрес цифрового формата служат DNS-серверы.
Каждая страна имеет свой домен. Это географические домены верхнего уровня. Помимо географического признака используется организационный признак.
Внутри каждого доменного имени первого уровня находится целый ряд доменных имен второго уровня. Домен верхнего уровня располагается в имени правее, а домен нижнего уровня - левее.
Во время приема запроса на перевод доменного имени в IP-адрес DNS-сервер выполняет одно из следующих действий:
Отвечает на запрос, выдав IP-адрес, если знает IP-адрес запрашиваемого домена;
Взаимодействует с другим DNS-сервером для того, чтобы найти IP-адрес запрошенного имени, если он его не знает.
Выдает сообщение: «Я не знаю IP-address домена, запрашиваемого вами, но вот IP-address DNS-сервера, который знает больше меня»;
Сообщает, что такой домен не существует.
DSL-технология (Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия) позволяет использовать более широкую полосу пропускания для передачи данных без ущерба для использования телефонной линии по прямому назначению. Существует целое семейство технологий под общим названием xDSL, где приставка х указывает на конкретную спецификацию семейства DSL. Эта технология весьма
перспективна, она позволяет одновременно работать в Интернете и разговаривать по телефону. Скорость подключения по ней намного выше, чем при помощи обычного модема. DSL не требует
прокладки новых проводов, так как использует уже имеющуюся телефонную линию.
Одним из основных преимуществ технологии xDSL является высокоскоростной доступ в Интернет.
ADSL (Asymmetrical DSL), или асимметричный DSL, позволяет передавать данные пользователю со скоростью, на порядок превышающую скорость передачи данных от пользователя. При этом сигнал от пользователя в Сеть передается на более низких частотах, чем сигнал из Сети к пользователю.
Достоинства ADSL : легкость установки (используется уже имеющаяся телефонная линия), постоянный доступ в Интернет (пользователи ADSL не разделяют полосу пропускания с другими абонентами).
Недостаток ADSL: ограничения по дальности. Скорость передачи потока данных в обратном направлении существенно зависит от расстояния.
Выделенная телефонная линия - это арендованная телефонная линия связи, соединяющая без коммутации двух абонентов. Наиболее распространенной технологией выделенной линии является
технология ISDN (Integrated Services Digital Network). Передача информации может осуществляться по обычному медному проводу. Пользователи, которые устанавливают ISDN-адаптер вместо модема, могут получить доступ в Интернет со скоростью до 128 Кбит/с.
Сеть кабельного телевидения .
Основным достоинством этой технологии является то, что
используются уже имеющиеся сети кабельного телевидения. При доступе в Интернет по сетям кабельного телевидения обеспечивается высокая скорость передачи информации. Полосы пропускания
телевизионного кабеля вполне достаточно для предоставления услуг последней мили при скоростях, сравнимых с теми, что предоставляют операторы DSL. В отличие от ADSL, которая обеспечивает высокоскоростную передачу данных по одной телефонной линии, сети кабельного телевидения являются сетями коллективного пользования, и, следовательно, скорость передачи зависит от количества одновременно работающих пользователей.
Для организации связи между пользователем и опорной точкой радиосети провайдера используют радиоканал для высокоскоростного доступа в Интернет. С помощью этой технологии к Интернету
можно подключить как индивидуальных пользователей, так и ЛВС. Преимущества радиоканала: быстрая инсталляция, мобильность (нет кабеля), высокая скорость (несколько Мбит/с в зависимости от оборудования), затраты (первоначальные затраты на оборудование выше, чем в случае выделенной линии, но абонентская плата ниже).
Взаимодействие узлов локальных сетей происходит на основе протоколов канального уровня. Международным институтом инженеров по электро- технике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE ) было разработано семейство стандартов 802.х, которое регламентирует функционирование канального и физического уровней семиуровневой модели ISO / OSI . Ряд этих протоколов являются общими для всех технологий, например, стандарт 802.2, другие протоколы (например, 802.3, 802.3u, 802.5) определяют особенности технологий локальных сетей.
На подуровне LLC существует несколько процедур, которые позволяют устанавливать или не устанавливать связь перед передачей кадров, содержащих данные, восстанавливать или не восстанавливать кадры при их потере или обнаружении ошибок. Этот подуровень реализует связь с протоколами сетевого уровня. Связь с сетевым уровнем и определение логических процедур передачи кадров по сети реализует протокол 802.2. Протокол 802.1 дает общие определения локальных вычислительных сетей, связь с моделью ISO / OSI . Существуют также модификации этого протокола, которые будут рассмотрены позже.
Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей. Протоколы МАС-уровня ориентированы на совместное использование физической среды абонентами . Разделяемая среда ( shared media ) применяется в таких широко распространенных в локальных сетях технологиях, как Ethernet , Fast Ethernet , Gigabit Ethernet , Token Ring , FDDI . Использование разделяемой между пользователями среды улучшает загрузку канала связи , удешевляет сеть , но ограничивает скорость передачи данных между двумя узлами.
Каждой технологии МАС-уровня соответствует несколько вариантов (спецификаций) протоколов физического уровня ( рис. 4.1). Спецификация технологии МАС-уровня определяет среду физического уровня и основные параметры передачи данных ( скорость передачи , вид среды, узкополосная или широкополосная).
Так, протоколу 802.3 , описывающему наиболее известную технологию Ethernet , соответствуют спецификации физического уровня: 10Base-T, 10Base-FB, 10Base-FL . Число 10 показывает, что скорость передачи данных составляет 10 Мбит/с, Base – система узкополосная. Спецификация 10Base -T предусматривает построение локальной сети на основе использования неэкранированной витой пары UTP не ниже 3-й категории и концентратора . Спецификации 10Base -FB, 10Base-FL используют волоконно-оптические кабели. Более ранние спецификации 10Base -5 и 10Base -2 предусматривали использование "толстого" или "тонкого" коаксиального кабеля .
Протоколу Fast Ethernet (802.3u) соответствуют следующие спецификации физического уровня:
Помимо Ethernet и Fast Ethernet на МАС-уровне используется еще ряд технологий: Gigabit Ethernet со скоростью передачи 1000 Мбит/c – стандарты 802.3z и 802.3ab; 10Gigabit Ethernet со скоростью передачи 10 000 Мбит/c – стандарт 802.3ае, а также ряд других. Например, протокол 802.5 описывает технологию сетей Token Ring , где в качестве физической среды используется экранированная витая пара STP , с помощью которой все станции сети соединяются в кольцевую структуру. В отличие от технологии Ethernet , в сетях с передачей маркера ( Token Ring ) реализуется не случайный, а детерминированный доступ к среде с помощью кадра специального формата – маркера ( token ). Сети Token Ring позволяют передавать данные по кольцу со скоростями либо 4 Мбит/c, либо 16 Мбит/c. По сравнению с Ethernet технология Token Ring более сложная и надежная, однако Token Ring несовместима с новыми технологиями Fast Ethernet , Gigabit Ethernet , 10Gigabit Ethernet . Технологии Ethernet и совместимые с ними как раз и рассматриваются в настоящем курсе лекций.
Передаваемый в сеть пакет инкапсулируется в поле данных кадра протокола LLC , формат которого приведен на табл. 4.1 .
Флаги определяют границы кадра LLC . В поле данных ( Data ) размещаются пакеты сетевых протоколов. Поле адреса точки входа службы назначения (DSAP – Destination Service Access Point ) и адреса точки входа службы источника (SSAP – Source Service Access Point ) длиной по 1 байту адресуют службу верхнего уровня, которая передает и принимает пакет данных. Например, служба IP имеет значение SAP , равное 0х6. Обычно это одинаковые адреса. Адреса DSAP и SSAP могут различаться только в том случае, если служба имеет несколько адресов точек входа. Таким образом, адреса DSAP и SSAP не являются адресами узла назначения и узла источника, да и не могут быть таковыми, поскольку поле длиной 1 байт позволяет адресовать только 256 точек, а узлов в сети может быть много.
Поле управления ( Control ) имеет длину 1 или 2 байта в зависимости от того, какой тип кадра передается: информационный ( Information ), управляющий (Supervisory), ненумерованный (Unnumbered). У первых двух длина поля Control составляет 2 байта, у ненумерованного – 1 байт . Тип кадра определяется процедурой управления логическим каналом LLC . Стандартом 802.2 предусмотрено 3 типа таких процедур:
Процедура LLC1 применяется при дейтаграммном режиме передачи данных. Для передачи данных используются ненумерованные кадры. Восстановление принятых с ошибками данных производят протоколы верхних уровней, например, протокол транспортного уровня. В дейтаграммном режиме функционирует, например, протокол IP .
Процедура LLC2 перед началом передачи данных устанавливает соединение, послав соответствующий запрос и получив подтверждение, после чего передаются данные. Процедура позволяет восстанавливать потерянные и исправлять ошибочные данные, используя режим скользящего окна . Для этих целей она использует все три типа кадров (информационные, управляющие , ненумерованные). Данная процедура более сложная и менее быстродействующая по сравнению с LLC1, поэтому она применяется в локальных сетях значительно реже, чем LLC1, например, протоколом NetBIOS / NetBEUI .
Широкое применение процедура, подобная LLC2, получила в глобальных сетях для надежной передачи данных по ненадежным линиям связи. Например, она используется в протоколе LAP -B сетей Х.25, в протоколе LAP -D сетей ISDN , в протоколе LAP -M сетей с модемами, частично – в протоколе LAP -F сетей Frame Relay .
Процедура LLC3 задействуется в системах управления технологическими процессами , когда необходимо высокое быстродействие и знание того, дошла ли управляющая информация до объекта.
Наиболее широкое распространение в локальных сетях получила процедура LLC1, в которой используются только ненумерованные типы кадров.
На передающей стороне кадр LLC -уровня передается на МАС- уровень, где инкапсулируется в кадр соответствующей технологии данного уровня. При этом флаги кадра LLC отбрасываются. Технология Ethernet предусматривает кадры четырех форматов, которые незначительно отличаются друг от друга. На табл. 4.2 приведен наиболее распространенный формат кадра стандарта 802.3/ LLC .
| Преамбула | SFD | DA | SA | L | DSAP | SSAP | Control | Data | FCS |
| 7 байт | 10101011 | 6 байт | 6 байт | 2 байта | 1 байт | 1 байт | 1 байт | 46-1497 байт | 4 байта |
Преамбула кадра состоит из семи байт 10101010, необходимых для вхождения приемника в режим синхронизации. Начальный ограничитель кадра (Start of Frame Delimiter – SFD) – 10101011 вместе с преамбулой в итоге составляют 8 байт . Далее следуют физические адреса узла назначения (DA – Destination Address ) и узла источника ( SA – Source Address ). В технологиях Ethernet физические адреса получили название МАС- адресов. Они содержат 48 двоичных разрядов и представляются в шестнадцатеричной системе. В локальных сетях адресация узлов производится на основе МАС-адресов , которые "прошиты" в ПЗУ сетевых карт.
Адрес , состоящий из всех единиц FFFFFFFFFFFF, является широковещательным адресом ( broadcast ), когда передаваемая в кадре информация предназначена всем узлам локальной сети.
Младшие 24 разряда МАС-адреса (6 шестнадцатеричных разрядов) задают уникальный номер оборудования, например, номер сетевой карты . Следующие 22 разряда задают идентификатор производителя оборудования. Старший бит , равный 0, указывает на то, что адрес является индивидуальным, а равный 1 – на то, что адрес является групповым. Второй старший бит , равный 0, указывает, что идентификатор задан централизованно комитетом IEEE . В стандартной аппаратуре Ethernet идентификатор всегда задан централизованно. Несмотря на то, что в МАС-адресе выделена старшая и младшая части, МАС- адрес считается плоским ( flat ).
Поле L ( рис. 4.3) определяет длину поля данных Data , которое может быть от 46 до 1497 байт (в информационных кадрах процедуры LLC2 – до 1496 байт , поскольку поле Control – 2 байта). Если поле данных меньше 46 байт , то оно дополняется до 46 байт .
Поле контрольной суммы ( FCS – Frame Check Sequence ) длиной в 4 байта позволяет определить наличие ошибок в полученном кадре за счет использования алгоритма проверки на основе циклического кода .
В сетях технологии Ethernet , построенных на основе логической топологии " общая шина ", разделяемая среда передачи данных является общей для всех пользователей, т. е. реализуется множественный доступ к общей среде. Для передачи данных используется манчестерский код , скорость передачи составляет 10 Мбит/с, т.е. длительность битового интервала равна 0,1 мкс. Между кадрами должен быть интервал длительностью 9,6 мкс. Переданную в сеть информацию может получить любой компьютер , у которого адрес сетевого адаптера совпадает с адресом DA передаваемого кадра, или все компьютеры сети при широковещательной передаче. Однако передавать информацию в любой момент времени может только один узел. Такой способ обмена данными получил название метода множественного доступа к среде с распознаванием несущей и фиксацией коллизий (CSMA/CD – Carrier Sence Multiply Access with Collision Detection ), суть которого объясняется ниже.
При одновременной передаче данных двумя компьютерами возникает так называемая коллизия , когда данные двух передающих узлов накладываются друг на друга и происходит потеря информации . Поэтому прежде чем начать передачу, узел должен убедиться, что общая шина свободна. Для этого он прослушивает среду. Если какой-либо компьютер сети уже передает данные, то в сети обнаруживается несущая частота передаваемых сигналов. Если по окончании передачи сразу два узла попытаются одновременно начать передачу своих данных, то возникнет коллизия , которая фиксируется компьютерами. Узел, первым обнаруживший коллизию , усугубляет ее путем передачи в сеть специальных JAM - сигналов для оповещения всех компьютеров сети. При этом компьютер должен немедленно прекратить передачу данных и выдержать паузу в течение некоторого случайного интервала времени. По окончании этого интервала узел может вновь попытаться передать свои данные.
Длительность паузы составляет
T п =T отс xL,
где T отс – интервал отсрочки, равный 512 битовым интервалам, т. е. при скорости 10 Мбит/с интервал отсрочки T отс = 51,2 мкс;
L – случайное целое число , выбранное из диапазона , где N – номер повторной попытки передачи узлом данного кадра. N изменяется от 1 до 10. Всего повторных попыток передачи может быть 16, но после 10-ой попытки число N не увеличивается. Таким образом, L может принимать значения от 0 до 1024, а пауза T п = 0 - 52,4 мс. После 16-й неудачной попытки, приведшей к коллизии , кадр отбрасывается.
Длительность передачи кадра Т к должна быть больше максимально возможного времени обнаружения
