Сети Ethernet

Полагаю, что и скрученные пары уступят со временем свои позиции оптоволоконным кабелям (когда их цена будет низкой, а стандартное быстродействие станет больше или равно 1 Гбит/c).

Схема интерфейса на уровне MAU (Medium Attachment Unit) в упрощенном виде имеет вид, показанный на рис 16.6.

Схема Signal Quality регистрирует коллизии и другие искажения сигнала и выдает в этом случае флаг SQE (Signal Quality Error). SQE представляет собой сигнал CS0, посылаемый от MAU к DTE (точнее, PMA к PLS). Сигнал SQE посылается MAU также в случае завершения процесса передачи ( output_idle ). Узел ISOLATE служит для блокировки передачи данных в сетевую среду, при этом DTE передает MAU сигнал CS0.

Помимо столкновений в сети может быть зарегистрировано появление ложной несущей ( FCE — False Carrier Event) — битовая последовательность не имеет байта SFD, соответствующего конкретному типу физической среды. Появление ложной несущей обычно связано с состоянием кабеля или шумами. Если фиксируется появление двух ложных несущих подряд, повторитель должен отключить порт (перевести в состояние LINK UNSTABLE) и послать сигнал JAM во все остальные порты. Сигнал JAM должен продолжаться до конца потока данных, вызвавшего появление ложной несущей. Если канал восстановлен, повторитель переводит порт в нормальное состояние. Отключение порта возможно также при возникновении множественных коллизий ( ECE — Excessive Collision Error) — более 60 коллизий подряд. После блокировки порта он будет восстановлен, если в течение 500 тактов коллизии не обнаружены или при повторном включении повторителя.

Если рассмотреть зависимость пропускной способности сети .

Вначале эта зависимость линейна, и на участке А пропускная способность удовлетворительна. Но при больших входных загрузках из-за коллизий сначала наступает насыщение за счет резкого роста процента потерянных пакетов, а затем и резкий спад (Ethernet collapse). Если в сети не используются повторители и нет сегментов на основе коаксиального кабеля, причины для коллапса исчезают.

Учитывая эту особенность Ethernet, создатели сетей должны ориентироваться не на предельно допустимые длины сегментов (потом пригодится), а на минимально необходимые длины. Чем меньше длина логического сегмента, тем меньше вероятность столкновения и тем больше его реальная пропускная способность (меньше длина домена (RTT)). А еще лучше – исключить из пользования повторители.

Помимо уже описанных модификаций сетей Ethernet в последнее время получили распространение сети для частот 100 Мбит/с ( FE ), 1000 Мбит/с ( GE ), которые базируются на каналах, построенных из скрученных пар или оптоволоконных кабелей, а также 10 Гбит/с ( 10GE и даже 100GE). Оптические связи используются и в обычном 10-мегабитном Ethernet (10BASE-FL, стандарт разработан в 1980 году, см. рис 16.8). Наиболее часто это делается при прокладке сетевых сегментов между зданиями, чтобы исключить проблемы разности потенциалов между их землями.

Оптоволоконная версия Ethernet привлекательна при объединении сегментов сети, размещенных в различных зданиях, при этом увеличивается надежность сети, так как ослабляется влияние электромагнитных наводок. Облегчается переход от 10- к 100-мегагерцному Ethernet, ведь можно использовать уже имеющиеся оптоволоконные каналы, они будут работать и на 1 Гбит/с (возможна реализация сетей со смешанной структурой, где применяется как 100-, так и 10-мегагерцное оборудование). На программном уровне 10-, 100- и 1000-МГц Ethernet неразличимы.

Требования к параметрам оптоволоконных кабелей не зависят от используемого протокола (FDDI, Token Ring, Fast Ethernet и т.д.) и определяются документом EN 50173 (European Norm). Это утверждение не относится к топологии кабельных связей, которые в общем случае зависят от используемого протокола. При работе с оптоволоконными системами необходимы специальные тестеры, способные измерять потери света и отражения методом OTDR (рефлектометрия с использованием метода временных доменов). При пассивной звездообразной схеме длины оптоволоконных сегментов могут достигать 500 метров, а число подключенных ЭВМ — 33. Для передачи сигналов на расстояния до 2 км используются многомодовые волокна ( MMF ) с диаметром ядра 62,5 микрон и клэдинга 125 микрон. Длина волны излучения равна 850 (или 1350) нанометров при ослаблении сигнала в кабельном сегменте не более 12,5 дБ. Обычный кабель имеет ослабление 4-5 дБ/км. Оптические разъемы должны соответствовать требованиям стандарта ISO/IEC BFOC/2,5 и вносить ослабление не более 0,5-2,0 дБ. Количество используемых MAU в логическом сегменте не должно превышать двух.

На данном рисунке видно, что соединения повторителя с FOMAU (Fiber Optic Medium Attachment Unit) является дуплексным, аналогичные возможности предоставляют многие современные переключатели. Полнодуплексное подключение оборудования во многих случаях может обеспечить практическое удвоение скорости обмена и, что, возможно, более важно, исключить столкновения пакетов. Кабель AUI может быть заменен скрученной парой, последнее в большей мере отвечает духу времени. Длина такого кабеля может быть несколько больше. Схема полнодуплексного соединения показана на рис 16.9.

В заключение — небольшая история из опыта эксплуатации сети в ИТЭФ. Локальная сеть у нас началась в 1987 году с одного сегмента "толстого" Ethernet, который соединял VAX с PDP11/40, вовлеченных в обработку данных по аттестации камер для эксперимента L3 в ЦЕРН. Почти все компоненты этой сети пришлось у кого-то одалживать. Дальше дело пошло неожиданно быстро, особенно если учитывать нашу тогдашнюю бедность. Мы прокладывали сегмент за сегментом. Один из них проходил из одного здания, прилегавшего к циклическому ускорителю У-10, к зданию медицинского пучка. Кабель был подвешен к стальному тросу. Но, на его беду, в одном месте он проходил примерно в 1,5-1,7 метрах от земляной обваловки ускорителя. Нас это обстоятельство нисколько не беспокоило, так как это было в радиационно опасной зоне, куда люди попасть не могли. Но спустя несколько лет мы убедились в своем легкомыслии.

На территории ИТЭФ жила стая собак во главе с рыжим вожаком, которого звали Чубайс. Сотрудники их подкармливали, и все шло тихо и мирно. Но однажды мы обнаружили обрыв связи между указанными корпусами. Провели диагностику и по отражению сигнала определили место обрыва. Каково же было наше удивление, когда мы выяснили, что участок кабеля длиной около 20 см сильно изгрызен. Наблюдение показало, что собаки использовали близость кабеля от земли, подпрыгивали и повисали на нем, как на спортивном снаряде (а может быть, они так хотели подключиться к Интернет?). С тех пор в одной из комнат моей лаборатории на стене висит отрезок того изгрызенного кабеля…

При практической реализации локальной сети обычно возникает проблема защиты и заземления. Если этой проблеме не уделить внимание в самом начале, она даст о себе знать позднее и обойдется дороже. Можно выделить три аспекта: безопасность персонала, работающего с ЭВМ и сетевым оборудованием, устойчивость к внешним наводкам и помехам, а также безопасность самого сетевого оборудования (противостояние грозовым разрядам или резким скачкам в сети переменного тока). Безопасность персонала обеспечивается тем, что все объекты, до которых может дотронуться человек, должны иметь равные потенциалы и в любом случае разница потенциалов не должна превышать 50 вольт. При работе с коаксиальным кабелем существуют рекомендации его заземления в одной точке. Возникает вопрос: что делать с заземлением экранов в случае использования экранированных скрученных пар? Этой проблеме посвящена, например, статья в журнале LANline Special Juli/August 2002, стр. 27-32. Следует сразу заметить, что нужно избегать применения экранированных и неэкранированных скрученных пар в пределах одной системы. Представляется также естественной и разумной зонная концепция, рассматриваемая в упомянутой статье. На рис 16.10 показана схема защиты. Эта схема содержит защитные выключатели на случай грозы или бросков напряжения (линия L). Буквой N обозначена нулевая (нейтральная) шина, а буквами PE — защитная шина.

Земли.экраны соседних зон соединяются только в одной точке (рис 16.11). Между зонами могут включаться пограничные устройства фильтрации, предназначенные для снижения уровня шумов и помех. В пределах зоны все устройства должны быть эквипотенциальны. Это достигается за счет подключения к общему экрану.

Следует учитывать, что для сетей Ethernet практически нет ограничений по размеру (за счет использования оптоволоконных переключателей). Сеть может быть локальной, общегородской или даже междугородней.

16.2. Повторители, мосты, мультиплексоры, переключатели и маршрутизаторы

На физическом уровне ( L1 ) пакет представляет собой цуг импульсов, распространяющихся по коаксиальному кабелю, скрученной паре или оптическому волокну. За счет дисперсии, частичных отражений от точек подключения и поглощению в среде импульсы в пакете "расплываются" и искажаются (ухудшается отношение сигнал/шум), это является одной из причин ограничения длин кабельных сегментов. Для преодоления этих ограничений вводятся сетевые повторители (repeater/hub). Повторитель воспринимает входные импульсы, удаляет шумовые сигналы и передает вновь сформированные пакеты в следующий кабельный сегмент или сегменты. Никакого редактирования или анализа поступающих данных не производится. Задержка сигнала повторителем не должна превышать 7,5 бит-тактов.

Все входы/выходы повторителя с точки зрения пакетов эквивалентны. Если повторитель многовходовый, то пакет, пришедший по любому из входов, будет ретранслирован на все остальные входы/выходы повторителя. Чем больше кабельных сегментов объединено повторителями, тем больше загрузка всех сегментов. При объединении нескольких сегментов с помощью повторителя загрузка каждого из них становится равной сумме всех загрузок до объединения. Повторители являются сетевыми приборами уровня L1 (физический уровень). Некоторые повторители контролируют наличие связи между портом и узлом (Link Status), регистрируют коллизии и затянувшиеся передачи (Jabber — ситуация, когда узел осуществляет передачу дольше, чем это предусмотрено протоколом), выполняют согласование типа соединения (Autonegotiation). Иногда они имеют SNMP-поддержку.

Для преодоления нежелательного объединения трафика используются сетевые мосты или переключатели (уровень ), при инициализации он изучает списки МАС-адресов устройств, подсоединенных к каждому из сегментов. В дальнейшем мост записывает в свою память эти списки и пропускает из сегмента в сегмент лишь транзитные пакеты. Читатели могут встретиться и с мостами, связывающими различные сети класса 802, например, между сетью 802.3 и 802.4. Такого типа мосты несравненно сложнее и при их применении нужно хорошо понимать алгоритмы работы обеих сетей.

Мост является активным устройством, которое способно адаптироваться к изменениям в окружающей сетевой среде. При этом пакеты, отправленные из сегмента А и адресованные устройству, которое подключено к этому же сегменту, никогда не попадут в сегмент Б, и наоборот. Через мост проходят лишь пакеты, отправленные из сети А в Б или из Б в А. Все входы моста или переключателя работают в режиме 6 (promiscuous mode) и воспринимают все приходящие пакеты. Интерфейсы входов/выходов, как правило, не имеют физических адресов (МАС). Исключение составляют случаи сетевого оборудования с поддержкой SNMP/MIB.

Функцию моста с определенными скоростными ограничениями может выполнять и обычная ЭВМ, имеющая два сетевых интерфейса и соответствующее программное обеспечение. Мосты и переключатели при разумном перераспределении серверов и рабочих станций по сетевым сегментам позволяют выровнять и даже эффективно снизить среднюю сетевую загрузку. Когда на один из входов моста приходит пакет, производится сравнение адреса получателя с содержимым внутренней таблицы переадресации. Если адрес в таблице отсутствует, мост посылает пакет в порт, противоположный тому, откуда получен данный пакет. Понятно, что появление в субсетях A и Б двух объектов с идентичными адресами ни к чему хорошему не приведет. Параллельно анализируется и адрес отправителя и, если этот адрес в таблице отсутствует, производится его запись в банк адресов соответствующего порта. В таблицу записывается также время записи адреса в базу данных. Содержимое таблицы переадресации периодически обновляется. К любой подсети может вести несколько путей, но для нормальной работы мостов и переключателей все пути, кроме одного, должны быть заблокированы. Функциональная схема работы моста показана на рис 16.13.

Если мост включен достаточно долго, а алгоритм обновления таблиц несовершенен, возможна ситуация переполнения таблицы, так как появляются все новые ЭВМ и адреса (а старые записи не уничтожаются). Тогда последствия могут стать непредсказуемыми. В этом случае у администратора может не остаться выбора, за ислючением нажатия кнопки Reset или выключения и повторного включения сетевого питания моста (если соответствующей кнопки сброса нет).

Сети, между которыми включается мост, не обязательно должны работать согласно идентичным протоколам. Возможны мосты между Ethernet и Token Ring или между Ethernet и ATM.

Мост, имеющий более двух портов, называется переключателем (switch). Как мост, так и переключатель, являясь сетевыми устройствами уровня L2, оперируют с MAC-адресами. Первый переключатель был разработан фирмой Калпане в 1991 году. Иногда переключатели называются маршрутизаторами, тем более что некоторые из них поддерживают внутренние протоколы маршрутизации (например, RIP). Некоторые современные переключатели способны фильтровать пакеты по IP-адресам и даже портам (L4!). Переключатели имеют внутреннюю параллельную магистраль очень высокого быстродействия (от десятков мегабит до гигабит в секунду). Эта магистраль позволяет переключателю совместить преимущества повторителя (быстродействие) и моста (разделение информационных потоков) в одном устройстве. Схемы реализации переключателей варьируются значительно, каких-либо единых стандартов не существует. Алгоритм работы с адресами здесь тот же, что и в случае мостов. В переключателе все входы идентичны, но внешняя информация, записанная в их память, делает входы неэквивалентными. Рассмотрим схему сети, показанную на рис 16.14. .

Если предположить, что в каждой из субсетей содержится порядка 250 ЭВМ, то число записей в хэш-таблицах переключателей может достигать 1000, и это не предел. Ведь любой из переключателей должен знать, куда передавать кадры, адресованные ЭВМ из любой субсети. К сожалению, поставщики сетевого оборудования редко сообщают предельные объемы маршрутных таблиц. Переключатели — это приборы для небольших сетей (или субсетей), где доступ к остальному миру осуществляется через специальный шлюз. На рис 16.15 приведена схема 8-входового переключателя.

В отличие от повторителей, число мостов/переключателей в локальной сети не регламентировано. Переключатели позволяют построить сеть практически неограниченного размера, например, Москва—Пекин.

Определенные проблемы возникают, когда к одному из входов переключателя подключен сервер, с которым работают пользователи, подключенные к остальным входам. Если все ЭВМ, подключенные к переключателю, одновременно попытаются обратиться к серверу, переключатель перегрузится. Некоторые типы переключателей способны в случае перегрузки посылать отправителям ICMP-уведомления. При данной схеме вероятность таких событий значительна, так как несколько каналов работают на один общий канал с той же полосой пропускания. Для преодоления проблем этого рода следует распределять нагрузки между портами переключателя равномерно, а также подключать серверы через полнодуплексные каналы. Полнодуплексные каналы полезны и для соединения переключателей между собой. Современные переключатели имеют много различных возможностей – SNMP поддержка, автоматическая настройка быстродействия и определения типа соединения (дуплексная/полудуплексная). Имеется возможность внешней загрузки программы работы переключателя. Способы проверки производительности переключателей описаны в документах RFC-1242 и RFC-1944 (тесты Бреднера, см. http://www.wiley.com/compbooks/FastEthernet и http://www.tolly.com).

Существуют переключатели, работающие в режиме "на пролет" ( cut through ). Здесь первые биты пакета поступают на выход переключателя, когда последующие еще только приходят на вход. Задержка в этом случае минимальна (определяется временем приема и анализа МАС-адреса назначения), но переключатель пропускает через себя поврежденные пакеты. Альтернативой такому режиму является передача через буферную память (схема передачи SAF – Store And Forward). Поврежденные пакеты в этом режиме отбрасываются, но задержка заметно возрастает, так как кадр должен быть принят полностью, прежде чем будет принято решение о переадресации. Кроме того, буферная память должна иметься на всех входах (или должна использоваться общая многопортовая). При проектировании сетей следует иметь в виду, что переключатели превосходят маршрутизаторы по соотношению производительность/цена.

Но при проектировании сетей с большим числом машин рекомендуется применять маршрутизаторы, где администратору предоставляются дополнительные инструменты структурирования сети.

Маршрутизаторы являются сетевыми устройствами уровня L3 и оперируют с IP-адресами.

При проектировании локальной сети следует учитывать то обстоятельство, что узлы с самым напряженным трафиком должны располагаться как можно ближе к мосту или переключателю. Вообще нужно минимизировать задержку в сетевом сегменте (особенно при использовании концентраторов). В этом случае среднее число коллизий в единицу времени будет ниже. По этой причине сервер должен располагаться как можно ближе к переключателю или маршрутизатору.

Схема внутренних связей переключателя может отличаться от приведенной на рис 16.15 и иметь конфигурацию, показанную на рис 16.16. Привлекательность такой схемы заключается в возможности реализации обмена по двум непересекающимся направлениям одновременно (см. LAN, Журнал сетевых решений, май 1998, том 4, № 5, стр. 21, Дмитрий Ганжа, "От разделяемых к коммутируемым сетям"). При этом эффективная пропускная способность многопортового переключателя может в несколько раз превосходить полосу пропускания сети.

При использовании в сети большого числа мостов и/или переключателей (SW) может сформироваться топология связей, когда от одного сегмента к другому пакет может попасть более чем одним путем (см. рис 16.18). Проблема связана с тем, что на фазе заполнения таблиц мостов и переключателей эти устройства перенаправляют пакет на все выходы, кроме того, через который он пришел. Такой алгоритм работы с неизбежностью приведет к зацикливанию пакетов и блокировке каналов. Если такая схема реализована уже после того, как маршрутные таблицы сформированы, первый же пакет с неизвестным (например, ошибочным) адресом вызовет катастрофу.

.

Приведенная на рисунке 16.19 схема также неработоспособна и некоторые связи должны быть ликвидированы. В данном конкретном примере проблема может быть решена удалением мостов BR-2 и BR-3 или разрывом связей, помеченных символом "X".

Проблему ликвидации связей, способных привести к зацикливанию, решает протокол STP (Spanning Tree Protocol; алгоритм предложен Перлманом в 1992 году), который автоматически блокирует некоторые соединения, а в случае недоступности основного пути открывает эти заблокированные соединения, обеспечивая высокую надежность сети. STP является частью протокола мостов IEEE 802.1d. В сущности STP преобразует граф сети к древовидной структуре (которая не имеет замкнутых маршрутов). Можно также утверждать, что STP является динамическим протоколом маршрутизации, повышающим надежность сети.

При использовании протокола STP каждой связи присваивается на стадии конфигурации определенный вес (чем меньше, тем выше приоритет). Мосты периодически рассылают специальные сообщения ( BPDU — Bridge Protocol Data Unit), которые содержат коды их уникальных идентификаторов, присвоенные им при изготовлении. Мост или переключатель с наименьшим значением такого кода становится корневым ("корень дерева"). Затем выявляется наикратчайшее расстояние от корневого моста/переключателя до любого другого моста или переключателя в сети. Граф, описывающий дерево наикратчайших связей, и является "деревом связей". Такое дерево включает все узлы сети, но необязательно все мосты/переключатели. Этот алгоритм функционирует постоянно, отслеживая все топологические изменения.

Современные мосты позволяют создавать виртуальные субсети ( ). Такие виртуальные сети удобны, когда в пределах одного здания размещаются две или более небольших фирмы, которые не хотели бы, чтобы их пакеты попадали соседям. При этом не следует переоценивать уровень безопасности VLAN.

VLAN позволяет ограничить зону распространения широковещательных пакетов, улучшая эксплуатационные характеристики сети в целом.

В стандарте IEEE 802.1p предусмотрено разделение трафика по приоритетам (QoS). В IEEE 802.1q предусмотрено 8 уровней приоритета. Данная технология была реализована в сети 100VG-AnyLan (IEEE 802.12), где были предусмотрены очереди с высоким приоритетом (HPQ). 3-битовые коды CoS присваиваются пользователем. Поле CoS является частью 32-битовой метки пакета в стандарте 802.1q. Значения кодов CoS перечислены в таблице 16.01 (см. также http://book.itep.ru/4/44/qos_lan.htm).

VLAN могут строиться согласно протоколу IEEE 802.3ac (если имеющееся оборудование его поддерживает). Формат кадра этого протокола показан на рис 16.20. Кадр при попадании во входной интерфейс VLAN снабжается 4-октетной меткой, которая анализируется коммутаторами 802.1q. Эта метка размещается в заголовке кадра между полями адреса отправителя и длины кадра (см. рис 16.20). Когда кадр покидает VLAN, метка из кадра удаляется. В остальных свойствах форматы кадров 802.3 и 802.3ас совпадают.

Некоторые современные мосты используют так называемую маршрутизацию отправителя (source routing). Такая маршрутизация предполагает, что отправитель знает, находится ли адресат в пределах локальной сети, и может оптимально определить путь доставки. При посылке кадра другой сети отправитель устанавливает старший бит своего адреса равным единице. Одновременно в заголовке кадра прописывается весь маршрут. Каждой сети присваивается 12-битовый идентификатор, а каждому мосту ставится в соответствие 4-битовый код, уникальный в контексте данной сети. Это означает, что мосты в пределах одной сети должны иметь разные идентификаторы, но их коды могут совпадать, если они находятся в разных сетях. Мост рассматривает только кадры с единицей в старшем бите адреса места назначения. Для этих кадров просматриваются коды сети в списке, записанном в заголовке. Если в списке содержится код, совпадающий с тем, который характеризует сеть, где находится мост, кадр переадресуется в эту сеть. Реализация алгоритма может осуществляться программно или аппаратно. Если путь до места назначения неизвестен, отправитель генерирует специальный пакет, посылаемый широковещательно (discovery frame) и достигающий всех мостов и всех субсетей. Когда приходит отклик от адресата, мосты записывают его идентификатор, а первичный отправитель фиксирует маршрут до адресата. Данный алгоритм достаточно прост, но сопряжен с лавинным размножением "исследовательских" пакетов, особенно в случае, когда смежные сети соединяются через несколько мостов/переключателей.

Обеспечение QoS предполагает два процесса: выделение определенного субпотока (класса трафика) и обеспечение заданного класса сервиса для этого субпотока.

Следующим шагом в направлении развития технологии виртуальных локальных сетей является протокол ). Так как здесь приходится иметь дело с Ethernet, где нет возможностей ввести дополнительные поля, например, поле идентификатора VLAN, задача достаточно деликатна. Нельзя забывать о сотнях миллионах владельцах сетевых карт... Одним из возможных решений является подход, реализованный в протоколе коммутации кадров по меткам (см. раздел MPLS). К счастью, поле идентификатора VLAN должно использоваться переключателями и маршрутизаторами, а не ЭВМ пользователей. Если сетевая карта не формирует идентификатор VLAN, он должен быть сформирован первым встретившимся переключателем или маршрутизатором. Выходной переключатель или маршрутизатор VLAN должны удалять эти идентификаторы. Эффективность технологии виртуальных локальных сетей будет много выше, когда стандарт 802.1Q будет поддерживаться сетевыми картами ЭВМ. Маршрутные таблицы в переключателях формируются автоматически с привлечением алгоритма Перлмана (описан в стандарте 802.1D).

Поле ). Поскольку это число больше 1500, сетевые карты Ethernet будут интерпретировать его как тип, а не как длину. Как будет реагировать карта и машина, не поддерживающая 802.1Q, получив такой кадр, сказать трудно. По этой причине это следует по возможности исключить. Структура полей флаг и длина представлена в нижней части рисунка. Поле идентификатор VLAN имеет длину 12 бит и определяет, какой виртуальной сети принадлежит кадр. Поле приоритет (три бита) позволяет выделять трафик реального времени, трафик со средними требованиями и трафик, для которого время доставки не критично. Это открывает возможность использования Ethernet для задач управления и обеспечения качества обслуживания при транспортировке мультимедийных данных. Однобитовое поле CFI (Canonical Format Indicator) первоначально определял, прямой или обратный порядок байт используется. В настоящее время его функцией (=1) является указание того, что в поле данных содержится кадр 802.5.

Группа IETF, разрабатывающая систему обеспечения требуемого уровня услуг на специфических нижних уровнях .) Протокол SBM предполагает, что одна из станций в субсети выполняет функцию DSBM (Designated SBM) и осуществляет управление доступом для всех запросов на резервирование ресурсов, посылаемых DSBM-клиентами. При работе протокола SBM используются мультикастинг-адреса 224.0.0.17 (все станции прослушивают этот адрес), а DSBM-кандидаты прослушивают — 224.0.0.16. Данная технология может использоваться, например, в IP-телефонии (TDMoIP — Time Division Multiplexing over IP). В этом случае UDP-порт порт получателя равен 2142.

Маршрутизатор отличается от переключателя тем, что поддерживает хотя бы один протокол маршрутизации. Существуют внутренние и внешние протоколы маршрутизации. Если маршрутизатор осуществляет связь данной автономной системы с другими автономными системами, его называют пограничным (border). Маршрутизатор же, который имеет только один внешний канал связи, в литературе часто называют gateway (входной шлюз сети). Любой маршрутизатор может поддерживать в любой момент только один внутренний и один внешний протокол маршрутизации, выбор этих протоколов осуществляет администратор сети из имеющегося списка. Маршрутизаторы представляют собой наиболее сложные сетевые устройства.

Одним из основных достоинств маршрутизаторов в локальной сети является ограничение влияния потоков широковещательных сообщений.

Обязательным компонентом маршрутизатора является таблица маршрутизации, которая формируется протоколом маршрутизации или сетевым администратором. По мере роста скорости каналов связи возрастали требования к быстродействию внутренней шины этих аппаратов. На рис 16.22 показана крайне упрощенная схема такого устройства.

Минимальное расстояние между последовательными IP-адресами места назначения, которые маршрутизатор должен обработать, определяется IPG=96 бит-тактом (бт), МАС-заголовком (176 бт), и IP-заголовком (128 бт). При поле данных нулевой длины период следования IP-адресов может достигать 432 бит-тактов. Для гигабитного Ethernet это составляет 432 нс. За это время маршрутизатор должен просмотреть 100-Мбайтную маршрутную таблицу и принять решение, через какой из выходных портов передать данный пакет. Необходимость гарантирования определенного качества обслуживания (QoS) ужесточают требования к системе буферизации (увеличивается число очередей). Таким образом, одной из самых сложных субсистем маршрутизатора является устройство буферизации пакетов.

В последнее время заметное распространение получил гибрид маршрутизатора и моста – brouter. Некоторые протоколы (например, NetBIOS) не допускают маршрутизации. Когда необходимо использовать такие протоколы совместно с TCP/IP, необходим brouter. Широко применяются такие приборы в сетях Token Ring.

Особый класс образуют мультиплексоры/демультиплексоры, которые используют собственные протоколы и служат для предоставления общего канала большему числу потребителей. Эти устройства широко задействованы при построении сетей типа Интранет (корпоративные сети, где субсети разных филиалов разнесены на большие расстояния). Такие сети строятся на базе специальных выделенных (физических или виртуальных) каналов, а мультиплексоры позволяют использовать эти каналы для предоставления комплексных услуг (телефонной связи, передачи факсов и цифровой информации), экономя значительные средства.

Если перед вами стоит задача создания локальной сети с выходом в Интернет, вам нужно последовательно решить ряд проблем, помимо финансовых. Должны быть сформулированы задачи, ради которых эта сеть создается, определена топология сети и ее быстродействие, число сегментов и характер их связей, число ЭВМ-участников, определен сервис-провайдер, или провайдеры, если вам нужно обеспечить более высокую надежность и живучесть сети. Вам надо оценить требуемую загрузку сегментов сети и внешних каналов связи, выбрать программную среду (ОС). После этого вы можете приступить к составлению списка необходимого оборудования и программного обеспечения. Если ваша сеть является оконечной и она имеет только один внешний канал связи, то вам не нужен маршрутизатор и вы можете ограничиться переключателем или ЭВМ-шлюзом (gateway), которая должна иметь необходимый интерфейс. Внешним каналом может стать коммутируемая телефонная сеть, выделенная телефонная линия, оптоволоконный кабель, спутниковый или радиорелейный канал. Во всех перечисленных случаях вам будет необходим соответствующий модем.

16.3. Fast Ethernet

100-мегагерцную сеть Ethernet ( FE ) дешевле создать на базе скрученных пар. Существует несколько версий 100-мегагерцного Ethernet ( 100BASE-T4, 100BASE-TX, 100BASE-FX, стандарт 100VG-AnyLAN — IEEE 802.12).

Сегменты TX (100BASE-TX, стандарт ANSI TP-PMD) состоят из двух скрученных пар проводов информационного качества (волновое сопротивление 100-150 Ом, экранированные и неэкранированные скрученные пары проводов категории 5, длина до 100 м).

FX -сегменты (100BASE-FX) представляют собой оптоволоконные кабели, отвечающие требованиям стандарта ANSI. Мультимодовое волокно 62,5/125 $$\mu$$ (см. выше) работает в инфракрасном диапазоне 1350 нм. Максимальная длина сегмента (в случае использования повторителей) составляет 412 метров, ограничение определяется соображениями допустимых задержек. Предельное ослабление сигнала в волокне не должно превышать 11 дБ, стандартный кабель имеет 1-5 дБ/км. Оптические разъемы должны отвечать требованиям MIC (Media Interface Connector).

Для того чтобы выявить, к какой модификации относится тот или иной сегмент, разработан специальный протокол распознавания, позволяющий строить сети, которые содержат оборудование и кабельные сегменты, отвечающие разным требованиям.

Физическая среда служит для передачи сигналов Ethernet от одной ЭВМ к другой. Выше были перечислены виды физических сред, используемых 100-мегагерцным Ethernet (T4, TX и FX). Здесь используется 8-контактный разъем (RJ-45) для скрученных пар или специальный оптоволоконный соединитель. Блок PHY (физический уровень) выполняет ту же функцию, что и трансивер в 10-мегагерцном Ethernet. Он может представлять собой набор интегральных схем в сетевом порту или иметь вид небольшой коробочки на MII-кабеле. Интерфейс MII является опционным, он может поддерживать работу с 10- и 100-мегагерцным Ethernet. Задачей MII является преобразование сигналов, поступающих от PHY, в форму, приемлемую для стандартного набора ИС Ethernet. Соединительный кабель не должен быть длиннее 0,5 м. PHY и MII могут быть объединены на одной интерфейсной плате, вставляемой в ЭВМ.

В сетях 100-мегагерцного Ethernet могут использоваться повторители двух классов ( I и II ). Задержки сигналов в повторителях класса I больше (~140 нс = 14 бит-тактов), зато они преобразуют входные сигналы в соответствии с регламентациями, применяемыми при работе с цифровыми кодами. Такие повторители могут соединять каналы, отвечающие разным требованиям, например, 100BASE-TX и 100BASE-T4 или 100BASE-FX. Преобразование сигнала может занимать время, соответствующее передаче нескольких бит, поэтому в пределах одного логического сегмента может быть применен только один повторитель класса I, если кабельные сегменты имеют предельную длину. Повторители часто имеют встроенные возможности управления с использованием протокола SNMP.

Повторители класса II имеют небольшие задержки, но никакого преобразования сигналов здесь не производится. Логический сегмент может содержать не более двух повторителей класса II, если кабели имеют предельную длину. Повторители класса II не могут объединять сегменты разных типов, например, 100BASE-TX и 100BASE-T4. Согласно требованиям комитета IEEE, время задержки сигнала JAM в повторителе Fast Ethernet (TX и FX) не должно превышать 460 нс, а для 100BASE-T4 – 670 нс. Для повторителей класса I эта задержка не должна быть больше 1400 нс. Значения предельных длин сегментов для различных конфигураций сети приведены в таблице 16.1.

Типовые задержки для различных устройств Fast Ethernet представлены в табл. 16.2.

Вариант построения 100-мегагерцной сети Ethernet показан на рис 16.23.

Из рисунка видно, что максимальная длина логического сегмента не может превышать А + Б + В = 205 метров (см. табл. 16.2.). Предельно допустимые длины кабелей А и В приведены в табл. 16.3.

При работе со скрученными парами (стандарт TX) используется 8-контактный разъем RJ-45 со следующим назначением контактов (таблица 16.4.):

Если используются экранированные пары и 9-контактный разъем "D"-типа, то назначение контактов следующее (таблица 16.5.):

Пары 2 и 3, так же, как и в ТХ, предназначены для приема и передачи данных. Пары 1 и 4 задействованы в двух направлениях, преобразуя канал между узлом и повторителем в полудуплексный. В процессе передачи узел использует пары 1, 2 и 4, а повторитель – пары 1, 3 и 4.

В сетях Fast Ethernet максимальное значение окна коллизий равно 5,12 мкс и называется временем канала (slot time). Это время в точности соответствует минимальной длине пакета в 64 байта. Для более короткого пакета коллизия может быть не зафиксирована. Окно коллизий представляет собой время от начала передачи первого бита кадра до потери возможности регистрации коллизии с любым узлом сегмента; это время равно удвоенной задержке распространения сигнала между узлами (RTT). Конфигурация сети Fast Ethernet, для которой значение окна коллизий превышает время канала, не может быть признана корректной. Для пояснения разных взаимозависимостей рассмотрим сеть, показанную на рис 16.24.

Задержка повторителя складывается из задержек физического уровня обоих портов и собственно задержки повторителя. Задержка на физическом уровне сетевого интерфейса считается равной 250 нс. Рассмотрим задержки сигнала для всех пар узлов (A, B и C) изображенных на рисунке сети (таблица 16.6.):

Когда А передает кадр, узлы В и С отслеживают наличие несущей. Это продолжается до тех пор, пока А не завершит процедуру. Как только узлы В и С фиксируют окончание передачи кадра узлом А, они запускают свои таймеры IPG. Запускает свой таймер IPG и узел А, причем его таймер стартует первым. На рис 16.25 показана временная диаграмма развития событий в сетевом сегменте. Таймер В стартует следующим через 1321 нс после А. Таймер узла С стартует спустя 1805 нс после А.

Узел В начинает передачу сразу после срабатывания его IPG-таймера, а через 484 наносекунды передачу начнет и узел С, так как канал с его точки зрения свободен. Но коллизии еще не происходит, так как их кадры еще не "столкнулись". Для того чтобы первый бит от узла В достиг узла С, требуется 1706 наносекунд. Узел С зарегистрирует столкновение первым, это произойдет в момент 3987 нс. После этого С будет продолжать передачу еще в течение 320 нс (сигнал JAM). Сигнал JAM гарантирует регистрацию коллизии повторителем. Только спустя 484 нс коллизию обнаружит узел В, и начнет передачу своего сигнала JAM, после чего прекратит передачу. При этом предполагается, что JAM не является контрольной суммой передаваемого пакета.

Стандарт IEEE предусматривает возможность полнодуплексной связи при использовании скрученных пар или оптоволокна.

Реализуется это путем выделения для каждого из направлений передачи независимого канала. Такая схема осуществляет связь "точка-точка" и при определенных условиях позволяет удвоить пропускную способность сети. Здесь нет нужды в стандартном механизме доступа к сетевой среде, невозможны здесь и столкновения. Дуплексную схему могут поддерживать все три модификации 100-мегагерцного Ethernet (100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-FX). Для оптоволоконной версии дуплексной связи предельная длина сегмента может достигать 2 км (для полудуплексного варианта предельная длина сегмента может быть 412 м). Следует иметь в виду, что для локальных сетей целесообразнее применение мультимодового оптоволокна (дешевле и больше коэффициент захвата света, но больше удельное поглощение).

16.4. Гигабитный Ethernet

В 1998 году в качестве стандарта утвержден гигабайтный Ethernet (IEEE 802.3z); 1000BASE-FX; FTP:/stdsbbs.ieee.org/pub, см. также http://www.gigabit-rethernet.org/technology/faq.html). Эти сети ориентированы на применение 4 скрученных пар категории 5 (до 100 м) и оптоволоконных кабелей. Используется кодировка сигналов на физическом уровне 8В/10B. Эта нотация означает, что каждый байт кодируется при передаче десятью битами. При этом не должно быть более 4 идентичных бит подряд и ни в одном коде не должно быть более 6 нулей или 6 единиц. Так достигаются хорошие условия синхронизации и высокая стабильность постоянной составляющей. В рассматриваемом варианте по каждой паре передаются сигналы с частотой 125 МГц, и за каждый такт транспортируется два бита. Сетевые интерфейсы используют шину PCI. В этом стандарте могут применяться полнодуплексные повторители ( FRD ). Эти повторители, в отличие от традиционных, имеют встроенные буферы на каждом из портов. Схема передачи предполагает карусельный способ доступа портов к шине повторителя. Но в этом приборе, в отличие от коммутатора, нет анализа адреса места назначения, и пакет передается всем портам устройства.

Блок-схема сетевого интерфейса GE и 10GE показана на рис 16.26 (работа через скрученную пару). Поскольку в локальной сети могут присутствовать сегменты как FE, так и GE, возможны переполнения буферов в переключателях и потери кадров. Перекладывание подавления перегрузки на уровень L3 или L4 в данном случае особенно накладно.

Для решения проблемы перегрузки в GE и 10GE одна из сторон посылает служебный кадр, сообщающий о том, что другая сторона на некоторое время должна прервать передачу. В поле тип такого кадра заносится код 0x8808, а первые два байта поля данных являются управляющими, последующие октеты могут содержать параметры команды. Для управления используются кадры типа PAUSE, в качестве параметра может быть указана длительность паузы в единицах времени передачи кадра минимальной длины.

Для GE такая единица равна 512 нс. Максимальная длительность паузы равна 33,6 мс. Хотя использование концентраторов не запрещено, оно крайне нежелательно, так как приводит к понижению эффективности использования сети (таблица 16.7.).

Новые Ethernet-протоколы 1000BASE-T и 10GBASE-T требуют применения скрученных пар существенно более высокого качества (с большей полосой пропускания, с низкими уровнями NEXT и FEXT). Передача в этом случае производится по четырем скрученным парам одновременно (см. ieee802.3/10GBT). Предполагается, что эта технология станет стандартной в первой половине 2006 года и будет частью спецификации IEEE 803.3ae. Требования к кабелю определяются документом ISO/IEC-11801:2002 для классов D или выше. Анализ распределения используемых длин показывает, что наиболее часто используются кабели длиной 40 м, а с вероятностью более 90% длина кабеля не превышает 80 м. Кабели классов D-F имеют полосу пропускания 250-625 МГц.

Из рисунка видно, что цифровая обработка сигналов стала основой работы такого устройства. Для кабелей класса F (категория 7) максимальная длина составляет 100 м, для класса Е (категория 6) — от 55 до 100 м, а для класса D (категория 5е) — 20-60м. При этом ожидается уровень BER не хуже 10^-12. Скрученные пары предлагаются в качестве дешевого решения, при больших длинах оптическое волокно остается вне конкуренции. Ниже в таблице приводится сравнение режимов работы приемо-передатчиков в 1000BASE-T и 10GBASE-T (таблица 16.8.).

Всякая, даже гигантская сеть была когда-то маленькой. Обычно сеть начинается с одного сегмента. Когда ресурсы одного сегмента или концентратора (повторители для скрученных пар) исчерпаны, добавляется повторитель или переключатель. Так продолжается до тех пор, пока ресурсы удлинения сегментов и каналы концентраторов не закончатся. Если при построении сети длина кабельных сегментов и их качество не контролировалось, возможен и худший сценарий — резкое увеличение числа столкновений или вообще самопроизвольное отключение от сети некоторых ЭВМ. Когда это произошло, администратор сети должен понять, что время дешевого развития сети прошло: надо думать о приобретении сетевых переключателей, маршрутизаторов, а возможно, и диагностического оборудования. Применение этих устройств может решить и проблему загрузки некоторых сегментов, ведь в пределах одного логического сегмента потоки, создаваемые каждым сервером или обычной ЭВМ, суммируются. Не исключено, что именно в этот момент сетевой администратор заметит, что топология сети неудачна и ее нужно изменить. Чтобы этого не произошло, рекомендуется с самого начала тщательно документировать все элементы (кабельные сегменты, интерфейсы, повторители и пр.). Сегодня я бы рекомендовал внедрять переключатели уже на раннем периоде эволюции сети.

Хорошо, если уже на первом этапе вы представляете конечную цель и те возможности, которыми располагаете. Бухгалтерская сеть и сеть, ориентированная на выход в Интернет, будут иметь разные структуры. Прокладывая кабели, рекомендуется учитывать, что расположение ЭВМ время от времени меняется и это не должно приводить к изменению длины сегмента или к появлению дополнительных "сросток" кабелей. Если сеть уже создана, научитесь измерять информационные потоки в сегментах и внешние потоки (если ваша сеть соединена с другими сетями, например с Интернет), это позволит осмысленно намечать пути дальнейшей эволюции сети, а в случае аренды оценить величину трафика. Сетевая архитектура требует немалых знаний, и это дело лучше поручить профессионалам.

Когда потоки данных в сети достигают уровня, при котором использование сетевых переключателей уже недостаточно, можно подумать о внедрении маршрутизаторов либо оптоволоконных сегментов FE (100 Мбит/с), GE или даже 10GE Ethernet. Эти субсети будут играть роль магистралей, по которым идет основной поток данных, ответвляясь в нужных местах в субсети, построенные по традиционной технологии. Если в вашей сети имеются серверы общего пользования, их рекомендуется подключить к быстродействующим сегментам.

Особую проблему составляют переходы 100 Мбит/с $$\to$$ 10 Мбит/с (или FE - GE ) (см. рис 16.27). Дело в том, что на MAC-уровне нет механизмов понижения скорости передачи для согласования возможностей отправителя и приемника (для сетей со скоростью <1 Гбит/c). Такие возможности существуют только на IP-уровне (ICMP-quench или алгоритм медленного старта в TCP). Если функцию шлюза исполняет, например, переключатель, то исключить переполнение его буфера невозможно. Такое переполнение неизбежно приведет к потере пакетов, повторным передачам и, как следствие, к потере эффективной пропускной способности канала. Решить проблему может применение в качестве шлюза маршрутизатора (здесь может работать ICMP-механизм "обратного давления").

Если любые 2 или более каналов справа попытаются начать работу с одним из каналов слева или наоборот, потери пакетов неизбежны. Потерь не будет, если объединения потоков нет, например, i-канал справа осуществляет обмен с i-каналом слева.

16.5. 10-гигабитный Ethernet

Хотя Ethernet на 1 Гбит/с и не использовал все свои возможности, реализован уже 10-гигабитный Ethernet ( ) № 7, Juli 2002. При работе с оптическими волокнами могут применяться лазеры с вертикальными резонаторами и поверхностным излучением VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). В случае мультимодовых вариантов используются волокна с радиальным градиентом коэффициента преломления. В протоколе 10 Гбит/c Ethernet предусмотрен интерфейс chip-to-chip (802.3ae-XAUI — буквы ае означают здесь Ethernet Alliance — http://www.10gea.org).

Такие каналы могут использоваться и в LAN для соединения переключателей сетевых кластеров. Соединение организуется по схеме "точка-точка". Эта технология удобна для использования в фермах ЭВМ. Стандартизованы порты: 10Gbase-LR (до 10 км по одномодовому волокну — для высокопроизводительных магистральных и корпоративных каналов), 10Gbase-ER (до 40 км по одномодовому волокну), 10Gbase-SR (до 28 м по мультимодовому волокну — для соединений переключателей друг с другом), а также 10Gbase-LХ4 (до 300 м по мультимодовому волокну стандарта FDDI — для сетей в пределах одного здания). Обсуждается возможность построения 100Гбит/c Ethernet. В 10Gbase для локальных сетей применяется кодирование 64В/66B (вместо 8В/10B, используемого в обычном гигабитном Ethernet), так как старая схема дает 25% увеличение паразитного трафика. Следует обратить внимание, что такое решение делает непригодными существующие оптоволоконные технологии SDH/SONET. К концу 2002 года технология 10Гбит-Ethernet вторглась в область региональных (MAN; см. форум Metro-Ethernet и EFM Task Force) и даже межрегиональных (WAN) сетей, тесня SDH, Fibre Channel, OC-192, PCI Express и InfiniBand.

В версии 10Gbase-X4 формируется 4 потока по 3,125 Гбит/с, которые передаются по одному волокну (1310 нм) с привлечением техники мультиплексирования длин волн ( .

Классификация категорий оптических волокон для сетевых приложений (таблица 16.9.).

Максимальные длины каналов с мультимодовыми волокнами (таблица 16.10.).

16.6. Интернет в Ethernet

В Интернете не существует иерархии сетей. Локальная сеть на основе Ethernet, две ЭВМ, связанные через последовательный интерфейс, или общенациональная сеть страны — это все сети и, по логике Интернета, они все равны. Каждая сеть имеет свое имя и как минимум один IP-адрес. Имена привычнее для людей, адреса — для машин. Между именами и адресами существует строгое соответствие.

Чтобы пояснить взаимодействие различных систем в сети (см. рис 16.29), рассмотрим сильно упрощенную схему обработки команды telnet vxdesy.desy.de, которая предполагает осуществление удаленного доступа к VX-кластеру в ДЕЗИ, Гамбург (вызов через Windows обрабатывается практически аналогично). Сначала ЭВМ выделяет команду telnet и запускает соответствующую программу-демон. Эта программа рассматривает символьный адрес vxdesy.desy.de в качестве параметра команды telnet.

Сначала определим, что же нужно сделать для решения стоящей задачи? Чтобы обратиться к нужной ЭВМ, система должна знать ее IP-адрес, маску субсети и адрес маршрутизатора или ЭВМ, через которые можно обратиться с запросом на установление канала связи. Рассмотрим решение проблемы поэтапно. Сначала символьный адрес vxdesy.desy.de передается серверу имен, где преобразуется в цифровой IP-адрес (предварительно надо узнать MAC-адрес DNS-сервера). Но знания IP-адреса недостаточно, надо выяснить, где находится объект с этим адресом. На IP-адрес накладывается сетевая маска (задается при конфигурации рабочей станции), чтобы определить, не является ли данный адрес локальным. Если адрес локален, IP-адрес должен быть преобразован в физический Ethernet-адрес (MAC), ведь ваша ЭВМ на уровне L2 может оперировать только с Ethernet-адресами. Для решения этой задачи посылается широковещательный на МАС-уровне (обращенный ко всем объектам локальной субсети) ARP-запрос. Если адресат находится в пределах локальной субсети, то он откликнется, прислав Ethernet-адрес своей сетевой карты. Если дело обстоит иначе, как в приведенном примере, производится обращение к шлюзу сети или маршрутизатору, IP-адрес которого задан при конфигурации рабочей станции. MAC-адрес шлюза, если его нет в кэше ЭВМ, определяется с помощью ARP-запроса. Наконец, с использованием полученного IP-адреса программа telnet формирует IP-пакет, который вкладывается в Ethernet-кадр и посылается маршрутизатору узла (ведь именно его адрес записан при конфигурации ЭВМ в данном примере). Последний анализирует имеющиеся у него маршрутные таблицы и выбирает, по какому из нескольких возможных путей послать указанный пакет. Если адресат внешний, IP-дейтограмма вкладывается в PPP- FDDI- Ethernet- или какой-то другой кадр (зависит от протокола внешнего канала) и отправляется по каналам Интернета. В реальной жизни все бывает сложней. Например, присланный символьный адрес может быть неизвестен локальной DNS-системе (серверу имен), и она вынуждена посылать запросы вышестоящим DNS-серверам и т.д. и т.п. Следует иметь в виду, что, скажем, в системе UNIX все виды Интернет-услуг обслуживает демон inetd. Конкретный запрос (telnet/ssh, FTP/scp, finger, WWW, Whois, SMTP и т.д.) поступает именно к нему, inetd резервирует номер порта и запускает соответствующий процесс, после чего переходит в режим ожидания новых запросов. Такая схема позволяет эффективно и экономно работать со стандартными номерами портов. Ну, а теперь начнем с фундаментальных положений Интернета.

В Интернете информация и команды передаются в виде пакетов, содержащих как исходящий адрес, так и адрес места назначения (IP-адрес для IPv4 имеет 32 двоичных разряда). Каждой ЭВМ в сети поставлен в соответствие уникальный адрес, появление двух объектов с идентичными IP-адресами может дезорганизовать сеть. IP-адресация поддерживает пять различных классов сетей (практически используется только три) и, соответственно, адресов (версия IPv4). Класс А предназначен в основном для небольшого числа очень больших сетей. Здесь для кода сети выделено только 7 бит, это означает, что таких сетей в мире не может быть больше 127 (2⁷-1). Класс B выделяет 14 бит для кода сети, а класс С — 22 бита. В классе C для кода ЭВМ (host) предназначено 8 бит, поэтому число ЭВМ в сети ограничено (<256). Самые левые биты адреса предназначены для кода класса.

IP-адрес характеризует точку подключения машины к сети. Поэтому, если ЭВМ перенесена в другую сеть, ее адрес должен быть изменен. Старшие биты адреса определяют номер подсети, остальные биты задают номер узла (номер ЭВМ). В таблице 16.11 приведено соответствие классов адресов значениям первого октета адреса и указано количество возможных IP-адресов каждого класса.

Структура IP-адресов изображена на рис 16.30.

Для удобства чтения IP-адреса обычно записываются в десятично-точечной нотации, например: 192.148.166.129 (адрес класса C).

Классу A соответствует диапазон адресов 1.0.0.0 — 127.255.255.255.

Классу B соответствует диапазон адресов 128.0.0.0 — 191.255.255.255.

Классу С соответствует диапазон адресов 192.0.0.0 — 223.255.255.255.

Классу D соответствует диапазон адресов 224.0.0.0 — 239.255.255.255.

Классу E соответствует диапазон адресов 240.0.0.0 — 247.255.255.255.

Некоторые адреса являются выделенными для специальных целей (таблица 16.12.):

Два другие специальные адреса показаны на рис 16.30a.

Число нулей в правой секции адреса на диаграмме в верхней части рисунка 16.30а зависит от класса IP-адреса.

Кроме того, в классах В и С зарезервированы адреса (адреса Х.Х.Х.255, например, класс С ) рекомендуется закрывать для доступа внешних по отношению к локальной сети отправителей, так как они могут использоваться для атак типа SMURF любых сетевых объектов (атака DoS — Denial of Service). В документе RFC-1519 были введены правила для выделения IP-адресов. Там мир поделен на четыре зоны:

Адреса 194.0.0.0 — 195.255.255.255 выделены для Европы;

198.0.0.0 — 199.255.255.255 — для северной Америки;

200.0.0.0 — 201.255.255.255 — для Центральной и Южной Америки;

202.0.0.0 — 203.255.255.255 — для Азии и бассейна Тихого океана.

Этим перечнем блоков выделены для каждого региона 32 миллиона адресов, другие 320 миллионов адресов С-класса от 204.0.0.0 до 223.255.255.255 оставлены в качестве резерва на будущее. Можно считать, что это первый шаг к внедрению географической адресации и маршрутизации.

IP-адрес имеет Интернет-часть и местную секцию, первая характеризует место (организацию, сеть или даже группу сетей), вторая — конкретную ЭВМ. Местная секция адреса может быть разделена на части, характеризующие локальную сеть и конкретную ЭВМ (рис 16.31).

Такая схема обеспечивает необходимую гибкость, дает возможность разделить локальную сеть на субсети. При работе с субсетью необходимо использовать 32-разрядную маску. Разряды маски должны равняться 1, если сеть рассматривает данный бит как часть адреса сети, и 0, если он характеризует адрес ЭВМ в этой сети. Все субсети одного адресного блока (А, В или С) должны иметь одну и ту же маску субсети. Например:

255.255.255.254 (десятично-точечное представление)

11111111 11111111 11111111 11111110 (двоичное представление)

описывает маску субсети, в которой работает автор. Некоторую информацию о масках в работающей сети можно получить с помощью команды ifconfig (SUN):

/usr/etc/ifconfig -a (курсивом здесь и далее выделяются команды, введенные с клавиатуры)

le0: flags=863<UP,BROADCAST,NOTRAILERS,RUNNING,MULTICAST>

inet 193.124.224.35 netmask ffffffe0 broadcast 193.124.224.32

lo0: flags=869<UP,LOOPBACK,NOTRAILERS,RUNNING,MULTICAST>

inet 127.0.0.1 netmask ffffff00,

где le0 и lo0 — имена интерфейсов, флаг -a предполагает выдачу данных обо всех интерфейсах.

Во всех схемах IP-адресации адрес со всеми единицами в секции "адрес ЭВМ" (host) означает широковещательное обращение ко всем ЭВМ субсети. Следует помнить, что широковещательные запросы сильно перегружают сеть, и без особой необходимости их использовать не следует.

Разбивка сети на субсети имеет целью, среди прочего, ограничение области рассылки широковещательных пакетов (имеются в виду широковещательные МАС-адреса).

IP-адрес, безусловно удобный для использования ЭВМ, плохо запоминается людьми, поэтому они разработали символьную систему имен для узлов Интернета. Эта система ( DNS — Domain Name System) имеет иерархический характер. Имя содержит несколько полей, разделенных символом "." (точка). В качестве примера можно привести имя домена ITEPnet — cl.itep.ru. Это имя содержит три поля. Поле ru указывает на принадлежность данного домена России, поле itep определяет принадлежность узла ITEP (Institute for Theoretical and Experimental Physics), cl — характеризует то, что данное конкретное имя относится к кластеру ЭВМ (имя субдомена). Никаких ограничений на число полей в имени, кроме налагаемых здравым смыслом, не существует. Собственно имя домена — это itep.ru. Самое правое поле в имени домена характеризует принадлежность к определенному типу организации или стране. Преобразование символьного имени в IP-адрес производится в DNS-сервере узла, который представляет собой базу данных с удаленным доступом. Если искомое имя узла в локальном DNS-сервере отсутствует, он может прислать в качестве ответа адрес другого DNS-сервера, куда следует обратиться, чтобы определить IP-адрес искомого узла. Анализ имени обычно производится справа налево. Более подробно DNS-система описана в документах RFC-819, -823. О правилах получения IP-адресов и регистрации имен сетей можно прочесть в [18.8].

При формировании пакетов различного уровня используется принцип инкапсуляции (вложения). Так IP-пакеты вкладываются в Ethernet-пакеты (кадры). Всякий пакет имеет заголовок и тело, некоторые из них снабжены контрольной суммой. Схема такого вложения представлена на рис 16.32 и 16.33.

Поле тип определяет используемый в дейтограмме протокол, PAD — пустые биты, дополняющие размер дейтограммы до 48 бит.

Пакетный принцип позволяет передавать информацию от разных источников к различным адресатам по общему телекоммуникационному каналу. Схема вложения пакетов в рамках TCP/IP показана на рис 16.32.

Принцип вложения (так же как и фрагментации) является фундаментальным для любых современных сетей.

Этот принцип используется в сетях NetWare, Apple Talk, TCP/IP и т.д.

Отдельные сети в Интернете соединяются друг с другом через узловые серверы (Gateway, иногда их называют пограничными маршрутизаторами — Boarder Gateway), расстояние между которыми может измеряться метрами или тысячами километров.

Прикладные программы, так же как и все протокольное программное обеспечение уровня Интернет (L3) и выше работают только с IP-адресами, в то время как уровень сетевого программного обеспечения работает с физическими сетевыми адресами (МАС).

Обычно при описании сетей используется терминология 7-уровневой модели ISO (стек протоколов). Так уж получилось, но Интернет лишь с определенными натяжками можно описать, придерживаясь этой схемы. Ethernet-инкапсуляция продемонстрирована на рис 16.33 (RFC 894; размеры полей указаны в байтах).

, где: I/G = 0 — индивидуальный адрес, I/G = 1 — групповой адрес; D — бит адреса службы места назначения, S — бит адреса службы отправителя; C/R = 0 — команда, C/R = 1 — подтверждение.

Поле видно, что первые два поля ( адреса получателя и отправителя ) и последнее поле ( CRC ) во всех форматах идентичны. При расчете CRC содержимое кадра рассматривается как двоичный полином. Производится деление этого кода на специальный образующий полином. Полученный остаток от деления дополняется по модулю один, результат этой операции и считается CRC-суммой. В поле адрес получателя может быть записан код 0xFFFFFFFFFFFF, что указывает на широковещательную адресацию кадра. Адрес отправителя такой код содержать не может. Третье поле может служить для выявления типа используемого протокола. Если в этом поле содержится число, большее 1500 (десятичное), это означает, что данный кадр имеет формат Ethernet II, а само поле содержит не длину кадра, а тип данных. Теперь, надеюсь, читателю понятно, почему кадр Ethernet 802.3 не может содержать более 1500 байт.

Кадр Ethernet 802.2 помимо первых трех полей содержит дополнительные три однобайтовые поля, следующие вслед за ними ( DSAP, SSAP и CNTL ). Кадр Ethernet SNAP является модификацией кадра Ethernet 802.2. Для этого кадра коды полей DSAP и SSAP равны 0xAA (признак кадра Ethernet SNAP), код CNTL=03 (нечисловой формат), поле код организации (3 байта, характеризует организацию сети) равен нулю (для IPX/SPX), а двухбайтовое поле тип характеризует протокол высокого уровня. Для протокола IP в это поле записывается 0x0800, для ARP — 0x0806, для RARP — 0x8035, а для Apple Talk — 0x809B). Поля тип протокола и по смыслу и по содержанию идентичны для всех разновидностей кадра Ethernet (кроме IEEE 802.3).

Транспортный уровень должен воспринимать данные от нескольких пользовательских программ и пересылать их на более низкий уровень. Многоуровневые протоколы спроектированы так, чтобы слой n по месту назначения получал ту же самую информацию, что была послана слоем n отправителя. Прикладные программы, так же как и все протокольное программное обеспечение уровня Интернет, используют только IP-адреса (32 бита), в то время как уровень сетевого программного обеспечения работает с физическими сетевыми адресами (так, Ethernet использует 48-битные адреса).

Когда IP-дейтограмма попадает в ЭВМ, сетевое программное обеспечение (драйвер) передает ее программе IP-уровня. Если адрес места назначения совпадает с IP-адресом ЭВМ, дейтограмма принимается и передается на более высокий уровень для дальнейшей обработки. При несовпадении адресов дейтограмма уничтожается (переадресация дейтограмм для ЭВМ запрещена, это функция маршрутизатора). Хотя можно заставить ЭВМ выполнять задачи маршрутизации, с точки зрения общей философии Интернета это плохая идея.

Различные сети и каналы имеют разные скорости обмена и надежность передачи. Это определяет длину пакета, пересылка которого с высокой вероятностью будет осуществлена без ошибки. Так как Интернет объединяет самые разные узлы и сети, использующие разные длины посылок, при реализации связи между такими объектами размер пакета задается наименее надежным узлом и длина пакета выбирается минимальной. Поэтому при передаче длинного пакета через такой участок сети он сегментируется и передается по частям. Размер фрагмента определяется величиной максимального передаваемого блока ( MTU — Maximum Transfer Unit, в Ethernet MTU = 1500 октетам). Величины MTU для других сред приведены в таблице 16.13.

Рассмотрим пофрагментную передачу дейтограммы с длиной в 1300 октетов в предположении, что более 576 октетов за один раз передать нельзя (рис 16.35).

Куда будет направлен Ethernet-кадр указывает значение типа в заголовке кадра (рис 16.33). Если пакет попадает в модуль IP, то содержащиеся в нем данные могут быть переданы либо модулю TCP (Transmission Control Protocol), либо UDP, что определяется полем протокол в заголовке IP-пакета.

Ethernet все шире применяется не только в локальных, но и в региональных сетях. Этому способствует введение системы подавления перегрузок в протоколах GE и 10GE. Но для работы в качестве опорной сети в Ethernet не хватает механизмов балансировки нагрузок и оптимизации использования полосы каналов. Решения этих проблем можно найти в протоколе IEEE 802.17.