Четырехуровневая структура глобальной сети. Перечислить и охарактеризовать каждый уровень. Структура «чистой» IP-сети. Двухточечные протоколы канального уровня: перечислить. Протокол HDLC. Семейство протоколов HDLC. Формат кадра HDLC. Типы кадров HDLC. Поля кадров HDLC- назначение и краткая характеристика.
Нижние уровни — это физические уровни- уровни первичной сети. К ним относятся технологии SDH/PDH, с пропускной способностью 2/1,5 -139,3/274,2Mb/s (для PDH) и 155,5Mb/s 10Gb/s(для SDH). На самом нижнем уровне первичной сети может работать наиболее скоростная на сегодняшний день технология DWDM, образующая спектральные каналы со скоростями 40 Гбит/с и выше.
На основе первичной сети оператор сети может достаточно быстро организовать постоянный цифровой канал между точками подключения оборудования следующего уровня - наложенной сети — пакетной или телефонной.
Следующим после двух физических уровней первичной сети может быть канальный уровень, основанный на технологиях ATM или FR, позволяющими использовать виртуальные каналы для продвижения кадров/ ячеек данных.
Самый верхний уровень – это сетевой уровень, как правило построенный на технологии IP.
Таким образом, получается четырех-уровневая структура современной глобальной сети
Рис. - Четырехуровневая структура современной глобальной сети
Первые IP-сети не имели такой сложной многослойной структуры. Классическая IP-сеть состояла из маршрутизаторов, непосредственно соединенных каналами связи. Эти сети не поддерживали QoS, так как трафик приложений 80-х годов не был чувствительным к задержкам. После появления многослойных глобальных IP-сетей возникла потребность различать эти два вида сетей, поэтому для классических IP-сетей мы будем использовать термин «чистая» IP-сеть.
«Чистая» IP-сеть отличается от многослойной тем, что под уровнем IP нет другой сети с коммутацией пакетов, такой как ATM или Frame Relay, и IP-маршрутизаторы связываются между собой выделенными каналами (физическими или соединениями PDH/SDH/DWDM).
Рис. 6-36.2. Структура «чистой» IP-сети
«Чистая» IP-сеть может успешно применяться для передачи чувствительного к задержкам трафика современных приложений в двух случаях:
если IP-сеть работает в режиме низкой нагрузки, поэтому сервисы всех типов не страдают от эффекта очередей, так что сеть не требует применения методов поддержки параметров QoS;
если слой IP обеспечивает поддержку параметров QoS собственными средствами за счет применения механизмов IntServ или DiffServ.
Для того чтобы маршрутизаторы в модели «чистой» IP-сети могли использовать цифровые каналы, на этих каналах должен работать какой-либо протокол канального уровня. Существует несколько протоколов канального уровня, специально разработанных для двухточечных соединений глобальных сетей. В эти протоколы встроены процедуры, полезные при работе в глобальных сетях:
управление потоком данных;
взаимная аутентификация удаленных устройств, часто необходимая для защиты сети от «ложного» маршрутизатора, перехватывающего и перенаправляющего трафик для его прослушивания;
согласование параметров обмена данными на канальном и сетевом уровнях — при удаленном взаимодействии, когда два устройства расположены в разных городах, перед началом обмена часто необходимо автоматически согласовывать такие параметры, например, как MTU.
Из набора существующих двухточечных протоколов протокол IP сегодня использует два: HDLC и РРР. Существует также устаревший протокол SLIP.
Помимо уже упомянутых протоколов, в глобальных сетях на выделенных каналах IP-маршрутизаторы нередко используют какой-либо из высокоскоростных вариантов Ethernet: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet или 10G Ethernet. Все варианты Ethernet не поддерживают перечисленных выше процедур, полезных для глобальных сетей, но чашу весов в данном случае перевешивает популярность этой технологии в локальных сетях.
Протокол HDLC (High-level Data Link Control — высокоуровневое управление линией связи) один из старейших протоколов передачи данных, разработанный компанией IBM для взаимодействия с мейнфреймами и представленный как SDLC (Synchronous Data Link Control — синхронное управление каналом) для утверждения стандарта в ANSI и ISO. ISO утвердил его как, HDLC.
Протокол HDLC—достаточно сложный. Он может работать в нескольких, весьма отличающихся друг от друга режимах, поддерживает не только двухточечные соединения, но и соединения с одним источником и несколькими приемниками.
Рассмотрим вариант протокола HDLC для двухточечных соединений, так как только такие соединения используются «чистыми» IP-сетями в частности— асинхронный сбалансированный режим (Asynchronous Balance Mode, ABM. Этот режим используют IP-маршрутизаторы. В режиме АВМ оба устройства равноправны и обмениваются кадрами, которые делятся на кадры-команды и кадры-ответы.
Открывающий и закрывающий флаги, представляющие собой коды 01111110, обрамляют HDLC-кадр, позволяя приемнику определить начало и конец кадра.
Благодаря этим флагам в HDLC-кадре отсутствует поле длины кадра. Чтобы отличить байты данных, имеющие значение 01111110, от байта флага, применяется техника бит- стаффинга. Бит-стаффинг работает только во время передачи поля данных кадра. Если передатчик обнаруживает, что передано подряд пять единиц, то он автоматически вставляет дополнительный ноль в последовательность передаваемых битов (даже если после этих пяти единиц и так идет ноль). Поэтому последовательность 01111110 никогда не появится в поле данных кадра.
В поле данных вкладываются пакеты вышележащих уровней — сетевых протоколов IP, IPX, AppleTalk, DECnet, возможны сообщения (данные) прикладных протоколов. Поле данных может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованных кадрах.
Адрес (1 или 2 байта) выполняет свою обычную функцию идентификации одного из нескольких возможных устройств только в конфигурациях «с одним источником и несколькими приемниками». В двухточечной конфигурации адрес HDLC используется для обозначения направления передачи кадра — из сети к устройству пользователя или наоборот. Очевидно, что эта функция адреса имеет смысл только при передаче кадра через UNI.
Поле управления занимает 1 или 2 байта. Его структура зависит от типа передаваемого кадра. Тип кадра определяется первыми битами поля управления: 0 — информационный, 01 — управляющий, 11 — ненумерованный тип.
Бит P/F входит в структуру поля управления кадров всех типов, означает Poll/Final (Опрос/Финальный). Он по-разному используется в кадрах-командах и в кадрах-ответах. Например, станция-приемник при получении от станции-передатчика кадра-команды с установленным битом Р немедленно должна ответить управляющим кадром-ответом, установив бит F. В других случаях (например: компьютер -терминал) компьютер предлагает терминалу посылать данные. Во всех кадрах, кроме последнего, посылаемых терминалом, бит P/F устанавливается в Р, в последнем кадре этот бит устанавливается в F.
Остановимся подробнее на структуре и назначении разных типов кадров.
Ненумерованные кадры предназначены для установления и разрыва логического соединения, а также информирования об ошибках. Поле М ненумерованных кадров содержит коды, определяющие тип команд, которыми пользуются два узла на этапе установления соединения, например:
Рис. 6-36.4. Формат поля управления U-кадра
ABME (Set Asynchronous Balanced Mode Extended — установить асинхронный сбалансированный расширенный режим) — эта команда является запросом на установление соединения (расширенный режим означает использование двухбайтовых полей управления для кадров остальных двух типов);
UA (Unnumbered Acknowledgment — ненумерованная положительная квитанция) — подтверждение установления или разрыва соединения;
REST (Resetting connection — сброс соединения) — запрос на разрыв соединения.
После благополучного получения пакета UA локальной станцией соединение считается установленным и может начинаться обмен данными. Информацию несут кадры типа I, а также FRMR и UI-кадры типа U. В кадре ответа FRMR должно присутствовать информационное поле, содержащее обоснование пересылку такого ответа. Структура этого поля для обычного и расширенного (внизу) форматов показана на рис.
Биты A, B, C и D определяют причину, по который кадр не был доставлен. Если бит равен 1, то это указывает на соответствующую причины недоставки. Бит A указывает на неверное значение N(R). Бит B =1 говорит о слишком большой длине информационного поля. Бит C - указывает на то, что поле управления неопределенно из-за наличия в кадре недопустимой для данной команды или отклика информационного поля, а D=1 означает, что поле управления принятого кадра не определено или же неприемлемо. V(R) и V(S) текущие значения переменных приема и передачи, соответственно. C/R (Command/Response) =1 означает, что ошибочное сообщение является откликом (=0 - командой). Большинство U-кадров интерпретируются как команды или отклики в зависимости от контекста и того, кто их послал. В некоторых случаях для разделения откликов и команд используется поле адреса.
Рис. 6-36.3.Формат поля управления S-кадра (расширенный вариант) .
Управляющие кадры предназначены для передачи команд и ответов в контексте установленного логического соединения, в том числе для передачи запросов на повторную передачу искаженных информационных блоков:
U-кадр используется для формирования канала, изменения режима работы и управления системой передачи данных. Существует версия, когда поле “0” размещается не в 8-ой позиции, а в 5-ой. В нижней части рисунка показана расширенная версия формата. Младшие разряды располагаются слева. Поле M может принимать значения, приведенные в таблице ниже.
Установление соединения начинается с передачи в канал команды SABM (или SABME). Если удаленной станцией эта команда принята правильно и имеется возможность установления соединения, то присылается отклик UA. При этом переменные состояния на удаленной станции V(S) и V(R) (аналоги полей N(S) и N(R) в пакетах) устанавливаются в нулевое состояние.
После благополучного получения пакета UA локальной станцией соединение считается установленным и может начинаться обмен данными. Информацию несут кадры типа I, а также FRMR (Отклонение кадра (frame reject)) и UI-кадры типа U. В кадре ответа FRMR должно присутствовать информационное поле, содержащее обоснование присылки такого ответа.
S-кадры служат для передачи сигналов подтверждения, запросов повторной передачи или прекращения посылки кадров из-за блокировки приема в местной станции. При получении кадра с неверным порядковым номером (напр., предшествующий кадр потерян), приемник посылает S-кадр REJ, что означает необходимость повторной посылки предшествующего кадра и всех последующих. Кадр SREJ(n) указывает на то, что все кадры до n-1, включительно, доставлены без ошибок, а при доставке кадра n допущена ошибка и он должен быть послан повторно. В отличии от REJ запрашивается пересылка только одного кадра. Связь с терминалом является временной, если бит P/F равен 1. Если адрес места назначения равен 11111111, то обращение является широковещательным.
Информационные кадры предназначены для передачи данных пользователя. В процессе передачи информационных блоков осуществляется их нумерация в соответствии с алгоритмом скользящего окна.
После установления соединения данные и положительные квитанции начинают передаваться в информационных кадрах. Логический канал HDLC является дуплексным, так что информационные кадры, а значит, и положительные квитанции могут передаваться в обоих направлениях. Если же потока информационных кадров в обратном направлении нет или же нужно передать отрицательную квитанцию, то используются управляющие кадры.
При работе HDLC для обеспечения надежности передачи используется скользящее окно размером в 7 кадров (при размере поля управления 1 байт) или 127 кадров (при размере поля управления 2 байта). Для поддержания алгоритма окна в информационных кадрах станции-отправителя отводится два поля:
N(S) — номер отправляемого кадра;
N(R) — номер кадра, который станция ожидает получить от своего партнера по диалогу.
Предположим для определенности, что станция А отправила станции В информационный кадр с некоторыми значениями NA(S) и NA(R). Если в ответ на этот кадр приходит кадр от станции В, в котором номер посланного этой станцией кадра Nb(S) совпадает с номером ожидаемого станцией А кадра NA(R), то передача считается корректной, если станция А принимает кадр-ответ, в котором номер отправленного кадра NB(S) неравен номеру ожидаемого NA(R), то станция А этот кадр отбрасывает и посылает отрицательную квитанцию REJ (отказ) с номером NA(R). Приняв отрицательную квитанцию, станция В обязана повторить передачу кадра с номером NA(R), а также всех кадров с большими номерами, которые она уже успела отослать, пользуясь механизмом скользящего окна, к примеру, 120 кадров.
Когда поток данных от приемника к передатчику отсутствует, управляющая команда RR с установленным полем N(R) используется как положительная квитанция. Если механизм окна не справляется с регулировкой потока кадров, то применяется управляющая команда RNR, которая требует от передатчика полной приостановки передачи до получения команды RR
Протокол РРР (Point-to-Point Protocol). Семейство протоколов PPP. Составные части PPP. Основные принципы работы протокола PPP: протоколы LCP и NCP –назначение, классы, коды протокола. Формат кадра PPP. Алгоритм протокола PPP, диаграмма стадий работы протокола PPP.
Протокол РРР (Point-to-Point Protocol) является стандартным протоколом Интернета. Он предназначен для непосредственного соединения удаленных территориально хостов между собой, пользователей услуг Интернет с портом маршрутизатора провайдера, а также для непосредственного соединения маршрутизаторов между собой по топологии «точка-точка».
При разработке протокола РРР за основу был взят формат HDLC-кадров и дополнен несколькими полями. Эти дополнительные поля протокола РРР вложены и поле данных HDLC-кадра.
Протокол РРР так же, как и HDLC, представляет собой целое семейство протоколов, в которое, в частности, входят:
протокол управления линией связи (Link Control Protocol, LCP);
протокол управления сетью (Network Control Protocol, NCP);
многоканальный протокол РРР (Multi Link РРР, MLPPP);
протокол аутентификации но паролю (Password Authentication Protocol, PAP);
протокол аутентификации но квитированию вызова (Challenge Handshake Authentication Protocol, CHAP).
Протокол PPP как уже говорилось, предназначен для обмена данными на канальном уровне при соединении сетевых узлов по топологии «точка-точка», т.е. при непосредственном соединении узлов на физическом уровне. Протокол PPP описан в многочисленных стандартах RFC более 50-ти. Это подчеркивает его важность, необходимость. Да это понятно- большинство региональных сетей строится с использованием соединений точка-точка. Протокол поддерживает не только IP – протокол сетевого уровня, но и другие сетевые протоколы – т.е. он достаточно универсален. (Novell IPX. ApplеTalk, DECnet, XNS, Banyan VINES и OSI)
Основные принципы работы
Для того, чтобы организовать связь через канал с непосредственным соединением, инициирующий РРР в начале отправляет пакеты LCР для задания конфигурации соединения, а также проверки канала передачи данных. После того, как канал установлен и пакетом LCР выполнено необходимое согласование факультативных средств, инициирующий РРР отправляет пакеты NCP, чтобы выбрать и определить конфигурацию одного или более протоколов сетевого уровня.
Как только конфигурация каждого выбранного протокола определена, дейтаграммы из каждого протокола сетевого уровня могут быть отправлены через данный канал. Канал сохраняет свою конфигурацию до тех пор, пока пакеты LCP или NCP явно не закроют его или пока не произойдет какое-нибудь внешнее событие (например, истечет срок бездействия таймера или вмешается какой-нибудь пользователь).
Требования, определяемые физическим уровнем
РРР может работать через любой интерфейс DTE/DCE (например, EIA RS-232-C, EIA RS-422, EIA RS-423 и МСЭ-Т V.35). Единственным абсолютным требованием, которое предъявляет РРР, является требование обеспечения физических схем (либо специально назначенных, либо переключаемых), которые могут работать как в синхронном, так и в асинхронном последовательном режиме, прозрачном для блоков данных канального уровня РРР. Протокол РРР не предъявляет каких-либо ограничений, касающихся скорости передачи информации, кроме тех, которые определяются используемым интерфейсом DTE/DCE.
Протокол содержит в себе три составные части:
Метод инкапсуляции дейтограмм при передаче по последовательным коммуникационным каналам.
Протокол LCP для установления, конфигурирования и тестирования информационных каналов
Набор протоколов NCP для установки и конфигурирования различных протоколов сетевого уровня.
Протокол управления каналом (LCP - Link Control Protocol) является частью PPP.
Протокол управления каналом lcp
Каждый кадр PPP начинается и завершается флагом 0x7E. За стартовым флагом-октетом следует байт адреса, который всегда равен 0xFF. Формат кадра PPP представлен на рис. 6-3605. Кадр PPP может содержать только целое число байт. При инкапсуляции других пакетов в PPP используется бит-ориентированный протокол HDLC (High-level Data Link Control).
Процесс LCP проходит через четыре четко различаемые фазы:
Организация канала и согласование его конфигурации. Прежде, чем может быть произведен обмен какими-либо дейтаграммами сетевого уровня (например, IP), LCP сначала должен открыть связь и согласовать параметры конфигурации. Эта фаза завершается после того, как будет отправлен и принят пакет подтверждения конфигурации.
Определение качества канала связи. LCP обеспечивает необязательную фазу определения качества канала, которая следует за фазой организации канала и согласования его конфигурации. В этой фазе проверяется канал с целью выяснения, является ли качество канала достаточным для вызова протоколов сетевого уровня. Эта фаза является полностью факультативной. LСP может задержать передачу информации протоколов сетевого уровня до завершения этой фазы.
Согласование конфигурации протоколов сетевого уровня. После того, как LСP завершит фазу определения качества канала связи, соответствующими NCP может быть выбрана конфигурация сетевых протоколов, и они могут быть в любой момент вызваны и освобождены для последующего использования. Если LCP закрывает данный канал, он информирует об этом протоколы сетевого уровня, чтобы они могли принять соответствующие меры.
Прекращение действия канала. LCP может в любой момент закрыть канал. Это обычно делается по запросу пользователя, но может произойти также из-за какого-нибудь физического события, такого, как потеря носителя или истечение периода бездействия таймера.