Сетевой уровень модели OSI

6.1. Общие сведения о сетевом уровне

Объединение нескольких локальных сетей в глобальную (распределенную, составную) WAN сеть происходит с помощью устройств и протоколов сетевого уровня 3 семиуровневой эталонной модели или уровня межсетевого взаимодействия модели TCP/IP. Если LAN объединяют рабочие станции, периферию, терминалы и другое сетевое оборудование в одной аудитории или в одном здании, то WAN обеспечивают соединение LAN на широком географическом пространстве. В составную распределенную сеть (internetwork, internet) входят как локальные сети и подсети, так и отдельные пользователи.

При передаче по сети большое сообщение сегментируется, а сегменты инкапсулируются в пакеты, которые представляют формат информационных данных третьего сетевого уровня. Для функционирования программно-аппаратных средств сетевого уровня 3 необходимо реализовать процессы адресации пакетов, их маршрутизации, инкапсуляции сегментов в пакеты на передающей стороне и декапсуляции сегментов из пакетов на приемной.

Основными устройствами, объединяющими LAN в составную сеть, являются маршрутизаторы (routers). Функционирование маршрутизаторов на Уровне 3 модели OSI происходит по правилам сетевых протоколов (Internet Protocol) версий 4 или 6 (IPv4 или IPv6). Другие сетевые протоколы (IPX,Apple Talk) в настоящее время практически не используются. Сетевые протоколы IP функционируют без предварительного установления соединения (connectionless) между источником и получателем сообщения. При этом доставка сообщения производится с максимальными усилиями (best effort delivery), но без гарантий, т.е. доставка ненадежная (unreliable). Такой метод доставки (передачи) данных получил название дейтаграммный.

Поскольку при дейтаграммном методе передачи пакеты отправляются адресату назначения без предварительного установления соединения, то пакет будет отправлен даже, если адресат не может его принять. При повреждении пакетов или их потере требуется повторная передача поврежденных или потерянных данных. Сетевые протоколы IP не имеют средств подтверждения доставки пакетов, их целостности, что и определяет ненадежность доставки. Однако дейтаграммные протоколы IP создают сравнительно небольшую нагрузку на сеть, что определило их высокую эффективность и широкое распространение. Такой способ доставки является оптимальным. Функции надежности доставки возложены на другие протоколы, в частности на протокол TCP транспортного уровня.

Важно отметить, что сетевые протоколы независимы от среды передачи. Поэтому один и тот же пакет может передаваться по медным и оптоволоконным кабелям, радиоканалам. Однако максимальный размер поля данных кадра может различаться в зависимости от среды, поэтому пакеты в ряде случаев разбиваются на более мелкие фрагменты (фрагментирование).

Для определения наилучшего пути передачи данных через связываемые сети, маршрутизаторы строят таблицы маршрутизации и обмениваются сетевой маршрутной информацией с другими маршрутизаторами. Маршрутизаторы принимают решения, базируясь на сетевых логических адресах (IP-адресах), находящихся в заголовке пакета (дейтаграммы). Администратор может конфигурировать статические маршруты и поддерживать таблицы маршрутизации вручную. Однако большинство таблиц маршрутизации создается и поддерживается динамически, за счет использования протоколов маршрутизации (routing protocol), которые позволяют маршрутизаторам автоматически обмениваться информацией о сетевой топологии друг с другом, т.е. разделять маршрутную информацию.

6.2. Протокол IPv4

В настоящее время широко используется сетевой протокол ) включает заголовок, состоящий из 12 полей общей длиной в 160 бит (5 слов по 4 байта, т.е. 20 байт), поле опций переменной длины и поле данных.

6.3. Протокол IPv6

Для повышения скорости передачи данных по сети в протоколе IPv6, по сравнению с протоколом IPv4, исключены некоторые функции маршрутизатора. Так, маршрутизатор не выполняет фрагментирование пакетов, объем которых превышает MTU канального уровня. Функция фрагментирования возложена на конечные узлы. Поэтому информация о фрагментировании удалена из основного фиксированного заголовка и, при необходимости, может быть включена в расширенные заголовки. Расширенные заголовки обычно обрабатываются конечными узлами. Кроме того, исключена функция вычисления и проверки контрольной суммы, поскольку подобная проверка проводится на канальном и транспортном уровне. Вычисление контрольной суммы в каждом маршрутизаторе протокола IPv4 было обусловлено тем, что значение поля TTL декрементировалось.

Пакет протокола IPv6 включает фиксированный заголовок и поле полезных данных (нагрузку). Кроме основного фиксированного заголовка управляющая информация может содержаться в одном из необязательных дополнительных (расширенных) заголовков. Расширенные заголовки размещаются между фиксированным заголовком и заголовком протокола более высокого уровня. Полезные данные обычно включают сегменты транспортного уровня или данные сетевого уровня, например сообщения протокола ICMP.

Формат заголовка пакета IPv6 приведен на рис 6.2. Он состоит из 9 полей общей длиной в 320 бит (10 слов по 32 бита или по 4 байта, т.е. всего 40 байт). Сравнительный анализ заголовков IPv4 (рис 6.1) и IPv6 показывает, что в заголовке IPv6 сохранилось поле версии, которое содержит значение 0110. Изменился размер полей адреса источника информации и адреса назначения, которые стали по 128 бит (4 строки по 4 байта). Вместо поля "Время жизни" появилось поле "Ограничения переходов" (Hop Limit) c аналогичными функциями.

В заголовке IPv6 вместо поля дифференцированные сервисы (тип сервиса)IPv4 появилось поле "Класс трафика" (Traffic Class), которое определяет приоритет передаваемого пакета. Первые 6 бит определяют класс трафика,оставшиеся 2 бита используются для контроля перегрузки.

Новое поле заголовка IPv6 "Метка потока" (Flow Label) позволяет идентифицировать различные транспортные потоки без декапсуляции пакета транспортного уровня. При использовании версии IPv4 только на транспортном уровне задавался номер порта, т.е. адресовалось приложение верхнего уровня. "Метка потока" позволяет значительно упростить маршрутизацию однородного потока пакетов. При этом маршрутизаторы будут передавать пакеты сообщения реального времени (аудио- и видеоинформация) вдоль одного и того же пути, чтобы избежать вариации задержек (джиттера) и избежать приема пакетов не в том порядке, в котором они передавались.

Вместо поля "Общая длина пакета" в новой версии появилось "Длина поля нагрузки" (Payload Length), которое не учитывает длину заголовка.

В заголовке IPv6 отсутствуют поля, связанные с фрагментированием пакетов, нет поля контрольной суммы заголовка и поля опций. Функция фрагментирования пакета передана конечным узлам, которые определяют размер единицы передаваемой информации MTU вдоль всего маршрута передачи пакета. Для этого маршрутизаторы посылают сообщение протокола ICMP конечному узлу источнику, который уменьшает размер пакета.

Поле ").

Подводя итог, можно отметить ряд преимуществ IPv6по сравнению с IPv4. Он характеризуется расширенной IP адресацией, легким агрегированием префиксов адресов. Конечный узел может иметь несколько IP-адресов поверх одного физического соединения, что позволяет реализовать соединение с несколькими Интернет-сервис провайдерами. Протокол IPv6 обеспечивает переадресацию частных адресов в общедоступные (публичные) и обратно без использования транслятора NAT. Упрощенный заголовок повышает производительность маршрутизации. При этом не используются широковещательные передачи, не вычисляется контрольная сумма заголовка, передаваемые потоки помечаются. Протокол IPv6 обеспечивает подвижную связь и более высокий уровень безопасности передаваемой информации по сравнению с IPv4. Для обеспечения безопасности протокол IPv6 использует аутентификацию и протокол IPSec, поддержка которого является для него обязательной. Упрощенный заголовок повышает производительность маршрутизации.

Протокол IPv6 имеет еще целый ряд отличий от IPv4. Например, для самотестирования (loopback) в IPv4 использовался адрес 127.0.0.1, а в версии IPv6 для этих целей предусмотрен адрес 0:0:0:0:0:0:0:1, который может быть представлен как ":: 1".

Переход от IPv6 к IPv4 и обратно обеспечивается за счет создания двойного стека и туннелей. При реализации двойного стека на интерфейсе каждого узла конфигурируется два стека протоколов, т.е. маршрутизатор и коммутатор конфигурируются, чтобы поддерживать оба протокола, причем, IPv6, является привилегированным. Это позволяет узлу осуществлять соединения как с сетью IPv4, так и с сетью IPv6.

При туннелировании пакет IPv6 инкапсулируется внутрь протокола, например, IPv4, когда пакет включает 20-байтовый заголовок IPv4 без опций, заголовок IPv6 и полезную нагрузку. При этом также требуются маршрутизаторы двойного стека.

6.4. Принципы маршрутизации

Заголовок пакета содержит сетевые IP-адреса узла назначения и узла источника. На основе этой информации маршрутизаторы осуществляют передачу пакетов между конечными узлами составной сети по определенному наилучшему маршруту. Процесс прокладывания наилучшего маршрута к адресату назначения получил название маршрутизация.

Конечный узел может адресовать сообщение узлу из той же локальной сети, в этом случае маршрутизация не потребуется, доставка сообщения реализуется с использованием МАС-адресов. При адресации сообщения узлу в удаленной сети пересылка данных происходит через маршрутизатор, подключенный к локальной сети, и называемый шлюзом по умолчанию (Default Gateway). Точнее, шлюзом по умолчанию называется входной интерфейс маршрутизатора, через который пакеты из локальной сети пересылаются в удаленные сети.

Маршрутизатор оценивает доступные пути к адресату назначения и выбирает наиболее рациональный маршрут на основе некоторого критерия - метрики. При оценке возможных путей маршрутизаторы используют информацию о топологии сети. Эта информация может быть сконфигурирована сетевым администратором или собрана в ходе процесса динамического обмена служебной информацией между маршрутизаторами, который выполняется в сети протоколами маршрутизации.

Процесс прокладывания маршрута происходит последовательно от маршрутизатора к маршрутизатору. При прокладывании пути для пакета каждый маршрутизатор анализирует сетевую часть адреса узла назначения, заданного в заголовке поступившего пакета, т.е. вычленяет адрес сети назначения из адреса узла. Затем маршрутизатор обращается к таблице маршрутизации, в которой хранятся адреса всех доступных сетей, и определяет свой выходной интерфейс, на который необходимо передать (продвинуть) пакет. Таким образом, маршрутизатор ретранслирует пакет, продвигая его с входного интерфейса на выходной, для чего использует сетевую часть адреса назначения и обращается к таблице маршрутизации.

В процессе передачи пакетов от маршрутизатора A к маршрутизатору В (рис 6.4) может быть выбран один из путей:

Молниевидной линией на рисунке обозначены соединения последовательных (serial) интерфейсов (портов) маршрутизаторов. Пакет, принятый на одном (входном) интерфейсе, маршрутизатор должен отправить (продвинуть) на другой (выходной) интерфейс на пути к адресату назначения.

Оценка наилучшего пути производится на основе метрики. Например, если метрика учитывает только количество маршрутизаторов на пути к адресату, то будет выбран первый (верхний) маршрут. Если же метрика учитывает полосу пропускания линий связи, соединяющих маршрутизаторы, то может быть выбран второй или третий маршрут при условии, что на этом пути будут наиболее широкополосные линии связи.

Маршрутизаторы в целом сетевого адреса не имеют, но каждый интерфейс маршрутизатора имеет уникальный адрес, сетевая часть которого совпадает с адресом сети, соединенной с данным интерфейсом.

Для продвижения пакета к узлу назначения маршрутизатор использует таблицу маршрутизации, основными параметрами которой являются адрес (номер) сети назначения и адрес входного интерфейса следующего маршрутизатора на пути к адресату назначения. Этот адрес интерфейса получил название следующего перехода (next hop).

На рис 6.5 приведен пример того, как маршрутизаторы А и В объединяет нескольких локальных сетей (локальные сети №1, №2, №3) в распределенную (составную) сеть. Поэтому обозначены через F0/0, F0/1, что означает: созданы последовательными или серийными (serial) интерфейсами S1/1, S1/2. Подобная структурная схема, включающая несколько последовательно соединенных маршрутизаторов, характерна для многих корпоративных сетей.

Каждый маршрутизатор создает таблицу маршрутизации, где задаются:

В таблице маршрутизации указываются непосредственно (прямо) присоединенные сети (directly connected) и маршруты к удаленным сетям. Административное расстояние определяет тип источника созданного маршрута.

Если в таблице маршрутизации не создан путь к сети назначения пакета, то маршрутизатор отбрасывает (discard) такой пакет. Однако на маршрутизаторе можно сконфигурировать маршрут по умолчанию, когда пакеты с незаданными в таблице маршрутизации адресами сети назначения, будут пересылаться через определенный интерфейс, называемый "шлюзом последней надежды" - Gateway of last resort.

Конечный узел также формирует таблицу маршрутизации к другим узлам локальной сети, чтобы пакеты направлялись в сеть назначения. Эту таблицу можно посмотреть по команде приведена таблица маршрутизации реального компьютера, подключенного к сети Интернет.

Таблица маршрутизации узла (хоста) содержит пять столбцов:

Самый первый маршрут с адресом 0.0.0.0 и маской 0.0.0.0 является маршрутом по умолчанию. Все пакеты, у которых адреса сетей назначения с любыми масками отсутствуют в таблице маршрутизации хоста, пересылаются к шлюзу с IP-адресом 10.225.75.13 (в данном примере). Шлюз пересылает пакет на выходной интерфейс маршрутизатора в соответствии с адресом назначения и таблицей маршрутизации. Для адресации узлов внутри локальной сети шлюз не используется. Узлы должны создавать и поддерживать собственную локальную таблицу маршрутизации, что пакеты направлялись в соответствующую сеть назначения (локальную или удаленную).

Краткие итоги лекции 6

Вопросы

Упражнения