Управление потоком кадров в полудуплексном режиме

В полудуплексном режиме работы коммутатор не может изменять протокол, и вынужден использовать для управления потоком кадров средства алгоритма доступа к разделяемой среде.

Метод обратного давления (backpressure) состоит в том, что коммутатор искусственно создает коллизии в сегменте, активность которого необходимо уменьшить. Это реализуется посылкой узлу jam-последовательности.

Метод агрессивного захвата среды заключается в том, что коммутатор занимает передающую среду на необходимое ему время после передачи очередного кадра или после коллизии. В первом случае коммутатор уменьшает время технологической паузы (межкадровый интервал), и при этом заведомо получает доступ к среде раньше конечного узла. Во втором случае коммутатор уменьшает интервал отсрочки, равный по умолчанию 512 битовых интервалов для сегментов Ethernet. Конечный узел обязан выдержать интервал отсрочки, в это время коммутатор так же занимает передающую среду.

Раздел 4.Сетевой уровень, как средство организации межсетевого взаимодействия

Тема 4.1Принципы организации межсетевого взаимодействия

4.1.1Ограничения мостов и коммутаторов

Использование коммутаторов для построения локальных сетей дает множество преимуществ и дополнительных возможностей, которые позволяют строить корпоративные сети, содержащие сотни и тысячи компьютеров. Однако построение сетей на основе только протоколов физического и канального уровней по прежнему имеет существенные ограничения.

§ Очень существенным ограничением является требование отсутствия замкнутых маршрутов (петель) в конфигурации сети. В корпоративных сетях, управляемых централизованно, отсутствие петель можно гарантировать, если предпринять для этого ряд необходимых мер. В крупных сетях, имеющих разнородную структуру, и управляемых независимыми организациями избежать образования петель сложно даже при использовании специальных протоколов, таких как алгоритм STA, так как накладные расходы на работу этого алгоритма будут очень высоки, а эффективность будет снижаться с ростом масштабов сети.

§ Разные сегменты сетей, построенные по стандартам канального уровня, слабо изолированы друг от друга, а именно не защищены от широковещательных штормов.

§ В сетях, построенных на основе коммутаторов, сложно решается задача управления различными видами трафика. При этом механизм установки пользовательских фильтров, используемый в коммутаторах, хотя и позволяет решить такую задачу принципиально, на деле оказывается слишком сложным и трудоемким.

§ Реализация транспортной подсистемы средствами канального уровня приводит к недостаточно гибкой, плоской схеме адресации на основе физических адресов. Такая система адресации эффективна только в пределах локальных сетей.

§ Задача трансляции протоколов канального уровня решена только частично, так как далеко не все коммутаторы обладают такой возможностью. Кроме того, эта задача усложняется многообразием канальных протоколов и отсутствием у коммутаторов возможности фрагментации кадров. Фрагментация кадров необходима при передаче кадров между сегментами с различными максимальными значениями передаваемого блока данных MTU.

4.1.2Структура составной сети

Составной сетью (internetwork или internet) называется совокупность локальных или глобальных сетей, объединенных при помощи маршрутизаторов (рис. 4.1.1). Сети, входящие в составную сеть, называются подсетями (subnet) или просто сетями. Каждая сеть может быть как локальной сетью так и глобальной сетью, при этом принципы межсетевого взаимодействия для них идентичны. Внутри каждой подсети используется определенный протокол канального уровня, например Ethernet, FDDI или PPP (канальный протокол для соединения по коммутируемым телефонным линиям). Маршрутизатор должен иметь отдельный сетевой интерфейс для подключения каждой подсети. Каждый сетевой интерфейс маршрутизатора должен использовать ту канальную технологию, которая используется в подсети, к которой он подключен. Таким образом, внутри каждой подсети есть средства для доставки сообщений между узлами этой подсети, однако при взаимодействии узлов, находящихся в разных подсетях требуются дополнительные средства. Эти средства предоставляет сетевой уровень.

Рис. 4.1.1 Структура составной сети

Чтобы сетевой уровень мог выполнять свой функции, ему необходима собственная схема адресации узлов, не зависящая от способа адресации узлов в отдельных подсетях. Такая схема адресации должна универсальным и однозначным способом идентифицировать любой узел составной сети.

Естественным способом адресации на сетевом уровне является нумерация всех подсетей и нумерация всех узлов в пределах каждой подсети. Такой подход требует представления сетевого адреса в виде пары чисел – номера подсети и номера узла в этой подсети. Каждая такая пара чисел уникальна в пределах всей интерсети. Сетевые адреса присваиваются как конечным узлам сети, так и сетевым интерфейсам маршрутизаторов.

4.1.3Принципы маршрутизации

В задачи маршрутизатора входит передача пакетов сетевого уровня из одной подсети в другую. Эта задача нетривиальна, так как в составной сети практически всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакета. При передаче сетевого пакета из одной сети в другую маршрутизатор извлекает этот пакет из поля данных кадра канального уровня первой сети и помещает его в поле данных кадра канального уровня второй сети.

Каждый раз при передаче пакета маршрутизатор анализирует информацию, содержащуюся в заголовке пакета сетевого уровня. Основными полями заголовка пакета сетевого уровня являются сетевые адреса источника и назначения. Кроме того, там может содержаться следующая информация:

§ номер фрагмента пакета, необходимый для операций сборки-разборки пакета при его фрагментации;

§ время жизни пакета, указывающее на то, как долго пакет передаются по интерсети;

§ качество услуги – критерий выбора маршрута для передачи пакета, такой, как, например, скорость или надежность передачи.

С точки зрения маршрутизатора задача маршрутизации сводится к ответу на вопрос: на какой выходной порт, и по какому сетевому адресу следует отправить прибывший пакет сетевого уровня. Для ответа на этот вопрос машрутизатор должен располагать информацией об адресах и месторасположении подсетей. Такая информация записана в специальной информационной структуре маршрутизатора, которая называется таблицей маршрутизации. Каждая запись (строка) в таблице маршрутизации соответствует одной подсети и представляет собой маршрут к данной подсети от данного маршрутизатора. При этом ней содержится следующая информация:

§ номер подсети;

§ сетевой адрес маршрутизатора, следующего по маршруту к данной подсети;

§ номер выходного порта маршрутизатора для данной подсети;

§ расстояние до подсети - количество транзитных передач между сетями или хопов (hop - прыжок);

Таким образом, понятие маршрута с точки зрения маршрутизатора является адресом следующего маршрутизатора, которому необходимо передать пакет на пути его следования. При этом существенным требованием является доступность следующего маршрутизатора – он должен быть подключен к одной из «собственных» сетей маршрутизатора.

Полная информация о маршруте пакета, состоящем из последовательности всех маршрутизаторов, лежащих на пути пакета от источника к назначению может быть доступна маршрутизатору только в том случае, если адрес источника и назначения лежат в сетях, подключенных к данному маршрутизатору непосредственно. Если путь пакета лежит через множество подсетей, то задача маршрутизации решается каждый раз при пересечении пакетом маршрутизатора заново, на основе информации, содержащейся в таблице маршрутизации данного маршрутизатора.

Так как количество подсетей в составной сети может быть очень большим, то обычно в таблице маршрутизации содержится информация о подсетях, непосредственно подключенных к портам маршрутизатора, а так же о некоторых «близких» ему подсетях, маршрут к которым точно известен маршрутизатору. Для всех остальных подсетей определен маршрут по умолчанию (default), представляющий собой адрес маршрутизатора, которому будут отправляться все пакты, адрес сети назначения которых не задан в таблице маршрутизации явно.

На рис. 4.1.2 приведен пример составной сети, состоящей из подсетей S1, S2, S3, S4 и S5. Подсети соединены при помощи трех маршрутизаторов – M1, M2 и M3. Для каждого маршрутизатора приведены таблицы маршрутизации.

Рис. 4.1.2 Пример маршрутизации в составной сети

Каждый сетевой интерфейс маршрутизатора помимо номера имеет собственный сетевой адрес, который подчиняется общей схеме сетевых адресов, то есть состоит из номера сети и номера узла. Сетевой адрес интерфейса 1 маршрутизатора M1 будем обозначать M1(1). Каждая запись таблицы маршрутизации состоит из четырех полей, которые были перечислены выше. Рассмотрим содержимое каждой таблицы маршрутизации.

Таблица маршрутизатора M1 включает записи для двух сетей S1 и S3, подключенных к его портам. При этом в поле сетевого адреса следующего маршрутизатора для обеих сетей стоит прочерк, так как доставку пакетов узлам данных подсетей маршрутизатор осуществляет самостоятельно. По этой же причине расстояние до сетей S1 и S2 определяется как нулевое. Пакеты, адресованные узлам всех остальных сетей, маршрутизатор M1 будет пересылать по адресу M2(1) маршрутизатора M2, который является для него маршрутизатором по умолчанию (default router).

Таблица маршрутизатора M3 отличается тем, что в ней, помимо записей для сетей S2, S3, S5, которые подключены к портам маршрутизатора, есть запись для сети S4, из которой следует, что пакеты, предназначенные этой сети, должны быть отправлены по адресу M2(2). Маршрутизатором по умолчанию для M3 так же является адрес M2(2).

Таблица маршрутизатора M2 включает записи для всех сетей. При этом, для данного маршрутизатора нет необходимости указывать маршрут по умолчанию.

Тема 4.2Реализация межсетевого взаимодействия средствами стека протоколов TCP/IP

4.2.1Структура стека протоколов TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP в настоящее время является наиболее популярным средством организации составных сетей. На основе этого стека протоколов организована глобальная сеть Internet. Поэтому именно на примере этого стека целесообразно проводить изучение средств сетевого уровня.

В стеке TCP/IP определены 4 уровня (рис. 4.2.1). Каждый из этих уровней несет на себе некоторую нагрузку по решению основной задачи — организации надежной и производительной работы составной сети, части которой построены на основе раз­ных сетевых технологий.

Рис. 4.2.1 Структура стека TCP/IP