Сети передачи данных - уч. пособие. Сети передачи данных
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
Глава 3. Технологии глобальных сетей пользующая выделение каналов на основе интерферометрических методов — 3DO (3-D Optics WDM). Параметры мультиплексоров WDM, реализованных на основе указанных технологий, сведены в таблицу 3.1. Таблица 3.1 – Параметры мультиплексоров WDM Технология I/O AWG I/O CG 3-D Optics WDM Максимальное число каналов [нм] 32 78 262 Разнос каналов 0.1–15 1–4 0.4–250 Вносимые потери [дБ] 6–8 10–16 2–6 Переходное затухание [дБ] 5 — 29 7 — 30 30 — 55 Чувствительность к поляризации, % 2 2–50 0 Из таблицы видно, что технология 3-D Optics WDM имеет преимущество по четырем из пяти параметров и может быть использована в системах WDM до уровня HDWDM с разносом каналов не меньше 0.4 нм. 3.2 Реализация функций канального уровня в глобальных сетях Канальный уровень обеспечивает надежную передачу данных через физиче- ский канал (между двумя точками) и в том числе: адресацию передаваемых сообщений; прием и передачу данных; формирование кадров; выявление неисправностей и ошибок; управление потоком информации. В глобальных сетях на канальном уровне используются протоколы «точка — точка»: SLIP — Serial Line Internet Protocol, HDLC — High Level Data Link Control — семейство прото- колов, PPP — Point to Point Protocol, Ethernet. Особенностью протоколов является необходимость управления потоком, по- скольку в канале передачи могут находиться промежуточные узлы с буферными устройствами, которые могут переполняться. 3.2 Реализация функций канального уровня в глобальных сетях 59 3.2.1 Протокол SLIP Это первый и наиболее простой протокол канального уровня и применяется только для передачи пакетов TCP/IP. К его достоинствам помимо простоты отно- сится возможность подключения через интерфейс RS-232, а к недостаткам: отсутствие механизма адресации; невозможность идентификации протоколов сетевого уровня; отсутствие механизма определения и коррекции ошибок. Структура пакета SLIP вместе с пакетом IP приведена на рисунке 3.2. Здесь формирование пакета происходит оконечиванием IP-пакета специальными симво- лами END. Значение END в шестнадцатеричном представлении равно CO. Если в передаваемом сообщении случайным образом возникает комбинация CO, то она заменяется другой DB-DC, а если встретится DB, то замена DB-DD. Рис. 3.2 – Формирование SLIP-пакета В спецификации протокола SLIP не определена максимальная длина IP-пакета, но реально он не может быть более 1000 байт вместо допускаемых IP-протоколом 1500 байт. Для установления связи по протоколу SLIP станции должны иметь информацию об IP-адресах друг друга. Поэтому передача пакета через промежу- точные маршрутизаторы невозможна. 3.2.2 Протоколы HDLC В семейство протоколов HDLC входят много известных протоколов: LAP-B (канальный уровень стека X.25), LAP-D (уровень обмена сигнальной информации ISDN), LAP-F (Frame Relay) и др. Основные механизмы протокола HDLC: установление логического соединения; наличие различных типов кадров (информационных и служебных нумеро- ванных и ненумерованных); анализ битовых последовательностей для проведения процедур выявления ошибок; управление потоком с помощью метода «скользящего окна» (рис. 3.3). Суть метода «скользящего окна» заключается в следующем. Окно — это непре- рывный диапазон n кадров, которые могут находиться в канале передачи одно- временно. При передаче кадры отправляются, и передатчик ждет подтверждения. 60 Глава 3. Технологии глобальных сетей Только после подтверждения о приеме первого кадра передатчик отправляет в ка- нал кадр с номером n 1. Рис. 3.3 – Иллюстрация метода скользящего окна Окна страхуют буферы приемника и передатчика от переполнения. Если буфер приемника заполнен, то он не посылает подтверждения. Также устанавливаются и искаженные и потерянные кадры, которые потом передаются повторно. Окно называется скользящим потому, что его размер переменный и составляет обычно от 1 до 7 кадров. 3.3 PPP-протокол Основой этого протокола также является HDLC, но он с одной стороны су- щественно упрощен, а с другой допускает перенос пакетов различный сетевых протоколов в одном логическом канале связи. РРР разработан взамен устаревшего SLIP и в настоящее время является практически основным протоколом каналь- ного уровня для глобальных связей при удаленных соединениях. При этом при установлении соединения вначале осуществляется переговорный процесс по со- гласованию параметров соединения (качество линии, протоколы аутентификации и сетевого уровня). Протокол РРР состоит из двух компонент: LCP — Link Control Protocol — протокол управления связью, которым согласуются параметры соединения; NCP — Network Control Protocol — протокол управления се- тевым уровнем, которым согласуется протокол третьего уровня, например IP или IPX. Базовый формат кадра РРР приведен на рисунке 3.4. Здесь флаг 7 Е = 01111110 определяет начало и конец кадра, а также задает тактовую синхронизацию. Поле адреса всегда занято одной и той же последовательностью FF = 11111111, потому что это поле унаследовано из формата HDLC и в режиме «точка — точка» адресация не нужна. В то же время последовательность «единиц» обеспечивает надежную синхронизацию. 3.3 PPP-протокол 61 Рис. 3.4 – Формат кадра РРР Поле управления также всегда постоянно (03), что в терминах HDLC означает, что все кадры РРР — информационные и ненумерованные, т. е. при потере кадра на канальном уровне они не восстанавливаются. Поле контрольной суммы размером 16 или 32 бит задает стандартную процедуру обнаружения ошибок с помощью циклических кодов с полиномом типа: x 16 x 12 x 5 1. Наконец, поле «информация» несет основную смысловую нагрузку как при переговорных процессах, так при передаче пакетов с данными. В этом поле ука- зывается тип работающего в данный момент протокола и передаваемая с ним ин- формация. Документ RFC 1700 определяет следующие возможные значения этого поля: C xxx — LCP сообщение, 8 xxx — NCP сообщение, O xxx — сообщение верхнего (сетевого) уровня. Сами сообщения заключены в поле «Данные». Рассмотрим фазы работы протокола РРР. Их четыре: три обязательные и одна необязательная. 1. Фаза установления соединения (LCP) содержит команду запроса «Configure Request» от передатчика к приемнику и ответ «Configure Ask». В случае по- ложительного ответа, когда все параметры канала согласованы, он открыт. 2. Фаза аутентификации по протоколам PAP — Password Authentication Protocol или CHAP — Challenge Handshake Authentication Protocol. Эта фаза необя- зательна. Она проходит в обе стороны по командам PAP или CHAP. Если аутентификация состоялась, то канал переходит к следующей сетевой фазе, если нет, то к завершающей фазе. 3. Сетевая фаза (NCP). Эта фаза содержит следующие процедуры: 3.1 Открытие сессии одного из протоколов сетевого уровня, например IP, по командам: Configure Request (IP) — от передатчика; Configure Ask (IP) — от приемника; Configure Request IP Adress — запрос IP-адреса; Configure Request IP Adress — ответ; Data Exchange — обмен данными в обе стороны. 62 Глава 3. Технологии глобальных сетей 4. Фаза завершения (LCP). Эта фаза обязательна, и она состоится не только после окончания сеанса, но и в случаях физического сбоя в канале, плохого качества передачи, отсутствия аутентификации, по воле администратора сети, по командам: Terminate request, Terminate Ask. Рассмотрим теперь структуру поля «информация» (рис. 3.4) для пакетов LCP (рис. 3.5). Здесь после кода LCP пакета (C xxx) идет код сообщения: 1. Configure Request (код = 1). Как уже говорилось, сообщением с кодом = 1 открывается соединение, состоится обмен параметрами канала и прием согласованных параметров с противоположной стороны. 2. Configure Ask (код = 2). Здесь передается ответ на запрос Configure Request и подтверждается правильность предлагаемых параметров. По прибытии этого пакета канал должен быть открыт. 3. Configure Nak (код = 3). Передача этого кода означает, что значения пара- метров неприемлемы. 4. Configure Reject (код = 4). Этим кодом сообщается, что некоторые из пара- метров некорректны, и посылается новый пакет Configure Request без этих параметров. Рис. 3.5 – Передача информации о параметрах канала в сессии LCP Следующее поле в пакете LCP — идентификатор. Здесь LCP-запросы и соот- ветствующие LCP-ответы отмечаются одним и тем же номером. Поле «Длина» указывает размер LCP-пакета. Непосредственная информация о параметрах содержится в поле «Значение», которое в свою очередь делится на три раздела: «Тип» — описывает назначение и номер параметра, «Длина» — задает размер значения параметра и «Значение» — само значение параметра. Всего параметров 8. Основные из них: максимальный размер пакета, протокол аутентификации (PAP или CHAP), длина поля контрольной суммы, протокол оценки качества. Точно такая же процедура производится и во время фазы NCP. Здесь в по- ле «Информация» в первую очередь согласуется тип сетевого протокола 8 xxx. Контрольные вопросы по главе 3 63 Для протокола IP 8 xxx = 8021, а согласуемыми параметрами являются IP-адрес получателя сообщения и алгоритм сжатия. Для этого используется алгоритм Ван Якобсена, когда заголовки IP и TCP уменьшаются от 40 байт и более до 3–5 байт. В протоколе РРР есть также механизмы для постоянного слежения за качеством передачи. Эта процедура Link Quality Report (LQR), которая подсчитывает долю успешно переданных пакетов. Если эта доля меньше установленного порога, сессия NCP закрывается. Во второй процедуре Echo Request качество линии определяется с помощью специальных тестов. В настоящее время доминирующим протоколом канального уровня в ГВС явля- ется Ethernet (GE, 10GE, 100GE). Основная функция канального уровня (адресация) реализуется с помощью коммутаторов и МАС-адресов (см. раздел 2). Контрольные вопросы по главе 3 1. На каких уровнях семиуровневой модели взаимодействия открытых систем работают глобальные сети? 2. Опишите суть и фазы работы протокола PPP. 3. В чем заключается суть технологии «скользящего окна»? 4. Какие технологии физического уровня применяются в глобальных сетях? 5. Какая основная технология канального уровня применяется в глобальных сетях? Глава 4 IP-СЕТИ 4.1 Общие положения Рассмотренные ранее технологии (Ethernet, FE, GE, PPP, HDLC) не могут пре- тендовать на роль технологии глобальных вычислительных сетей, поскольку все они работают на втором (канальном) уровне ЭМВОС. Это означает, что если сеть сложная и содержит большое количество узлов, то пакеты данных сами не смо- гут проложить себе маршрут следования от узла к узлу. MAC-адреса и таблицы коммутаторов с такой задачей не справляются, так как они не обладают свойством иерархичности. В таблицах коммутаторов должны содержаться адреса всех стан- ций. К другим недостаткам сетей на основе коммутаторов относятся: невозможность построения кольцевых и ячеистых схем, что исключает воз- можность резервирования и регулирования нагрузки; перегрузки сетей при широковещательных рассылках информации (широ- ковещательные штормы); невозможность взаимодействия сетей, работающих на разных протоколах канального уровня. Таким образом, при построении больших сетей необходимы новые, более ин- теллектуальные принципы организации сетей. Эти принципы определяются тре- тьим (сетевым) и четвертым (транспортным) уровнями: 1. Сети работают по технологиям коммутации пакетов, причем допускаются режимы: без установления соединений (датаграммный); с установлением соединения (метод виртуального соединения). 2. Сеть должна быть иерархична, т. е. система адресации должна содержать высшие разряды для узлов верхнего порядка (крупные провайдеры) и низ- шие разряды для узлов нижнего уровня и отдельных пользователей. 4.1 Общие положения 65 3. Сеть должна быть открытой, т. е. доступной для любого пользователя, а не только для корпоративных клиентов. 4. Сеть должна быть в состоянии объединять ЛВС или корпоративные сети, работающие по разным протоколам канального и сетевого уровней. 5. Сеть должна выбирать для пакетов оптимальный маршрут по некоторому критерию и передавать пакеты по этому маршруту. К известным технологиям сетевого уровня относятся: IP, IPX (Novell), X.25 (IEEE), Frame Relay, ATM [1, 11, 12]. Доминирующим способом передачи на сего- дняшний день является IP, поскольку он удовлетворяет практически всем перечис- ленным выше условиям. Протоколы IP и работающие над ним TCP и UDP и будут рассмотрены в этом разделе. Что касается других технологий, то они вытесняются TCP/IP по разным причинам. Технология X.25, предложенная IEEE, разрабатывалась в условиях, когда на сетях связи преобладали линии с низким качеством и обеспечить вероятность ошибки P oш 10 8 можно было только с помощью сложной и длительной про- цедуры решающей обратной связи, когда информация о прохождении пакета на каждом этапе подтверждалась. При отсутствии подтверждения передача повторя- лась. Здесь также предварительно устанавливалось виртуальное соединение. Эти и другие процедуры требовали большого времени, поэтому скорость передачи по протоколу X.25 составляла десятки килобит в секунду. В настоящее время техно- логия X.25, являющаяся, прежде всего, закрытой, корпоративной, практически не применяется. Технология Frame Relay (FR) является скорректированным вариантом X.25. Коррекция проведена в связи с улучшением качества передачи в линиях связи, поэтому квитирование передачи пакетов между узлами отменено. Оно оставлено только для последней (приемной) станции. При этом все сомнительные пакеты просто отбрасываются. Эти упрощения позволяют обеспечить скорость передачи до 2 Мбит/с. Особенностью технологии FR является гарантированная поддержка основных показателей качества передачи — средней скорости передачи по виртуальному ка- налу при допустимых уровнях пульсации трафика. Основной областью применения FR остается построение корпоративных се- тей путем объединения удаленных друг от друга ЛВС. При большом количестве точек доступа число виртуальных каналов становится недопустимо большим, что указывает на невозможность построения глобальных сетей. Технология АТМ — самая молодая из перечисленных выше. Она задумывалась как универсальная мультисервисная технология для передачи данных, речи и ви- део. Подходит она и для построения глобальных вычислительных сетей, поскольку пакеты АТМ могут передаваться поверх SDH. Вместе с тем необходимость учета многих противоречивых требований в мультисервисных сетях привела к суще- ственному удорожанию оборудования по сравнению с другими технологиями, что сдерживает широкое применение АТМ. Протоколы IP и IPX достаточно похожи, но технология IPX фирмы Novell разрабатывалась для ЛВС, в то время как IP — для глобальных сетей. В IP и IPX сетевой адрес делится на номер сети и номер узла, что обеспечивает необходимую иерархичность. Однако в IPX номер узла привязан к МАС-адресу ЛВС, и это 66 Глава 4. IP-сети серьезное ограничение для больших сетей. В IP этого ограничения нет, так как номер узла определяется числом, подчиняющимся законам иерархии и никак не связанным с МАС-адресом. Стек протоколов TCP/IP разрабатывался для сколь угодно больших сетей с вы- сокой надежностью функционирования. В этой технологии предполагается боль- шое количество резервных путей между любыми двумя узлами и датаграммный способ доставки пакетов (UDP/IP). Структура адресации обеспечивает необходи- мую иерархичность, что существенно облегчает работу узлов распределения на- грузки (маршрутизаторов). Международная система распределения адресов делает сеть открытой и глобальной в международном масштабе. Наконец, технология IP не зависит от нижних уровней и может работать с технологиями Ethernet, PPP, FR, ISDN и другими. Наряду с датаграммным режимом доставки сочетание про- токола IP с протоколом транспортного уровня TCP позволяет реализовать режим виртуального соединения. Таким образом, технология IP, которая непрерывно совершенствуется, является очень удобной для реализации глобальных сетей и на данный момент доминирую- щей. Конкуренцию ей составляет АТМ. Прежде чем рассмотреть алгоритм передачи IP-пакетов, установим связь про- токолов стека TCP/IP с ЭМВОС (рис. 4.1). Рис. 4.1 – Связь уровней TCP/IP с ЭВМОС Как видно, модель уровней TCP/IP отличается от ЭВМОС. Эти отличия заклю- чаются как в количестве уровней, так и в их функциональном содержании. Начнем снизу. Первый и второй уровни в стеке протоколов TCP/IP не регламентируются. Это означает, что третий (сетевой) уровень IP должен взаимодействовать с любым протоколом канального уровня. Это взаимодействие, как правило, решается с по- мощью инкапсуляции IP-пакетов в кадры канального уровня, например Ethernet или PPP (рис. 4.2). Рис. 4.2 – Инкапсуляция данных различных уровней 4.1 Общие положения 67 Уровень межсетевого взаимодействия IP — Internet Protocol совпа- дает с сетевым уровнем ЭМВОС, поэтому в дальнейшем будем называть его просто сетевым уровнем. Основное его назначение — выбор маршрута следования пакетов по определенному критерию и передача пакета по этому маршруту в составных сетях незави- симо от протоколов канального уровня. При этом условия гарантии доставки пакетов в IP не заложены. IP — это прото- кол негарантированной доставки пакетов. Сам пакет прокладывает себе путь через цепочку маршрутизаторов, выбирая для данного момента самый благоприятный маршрут. Транспортный уровень с точки зрения передачи пакетов содержит два альтернативных варианта: UDP (User Datagram Protocol) — протокол негарантирован- ной доставки, который обеспечивает передачу пакетов да- таграммным способом и по сути является продолжением протокола IP. TCP (Transmission Control Protocol) — протокол с управле- нием передачи, принципиально отличающийся от UDP, по- скольку он вначале устанавливает виртуальное соединение между двумя абонентами, а потом по этому пути переда- ет их пакеты наряду с пакетами других абонентов. Связь по TCP — дуплексная и без ошибок. По сути дела прото- кол TCP позволяет в стеке TCP/IP совмещать две разные технологии: датаграммную и виртуального соединения. Шестой и седьмой уровни функционально объединены в один прикладной, ко- торый представляет все сервисы сети Интернет: электронную почту SMTP, доступ к базам данных WWW, передачу файлов FTP и многое другое. Состав сервисов этого уровня непрерывно расширяется. В данном разделе мы будем подробно рассматривать IP-сети, т. е. сети, построенные на протоколе сетевого уровня — IP. Рассмотре- ние начнем с заголовка IP-пакета (рис. 4.3). Здесь поле «Версия» определяет версию протокола IPv4 или IPv6. Сейчас пер- вая, но готовится переход на вторую. Длина заголовка может быть переменной, и эти данные содержатся в поле «Длина заголовка». Поле «Тип сервиса» (Type of Service — ToS) содержит 8 бит. Из них 3 бита определяют уровень приоритета |