ТЕМА: Сетевой уровень передачи данных. Протоколы сетевого уровня.

Сетевой уровень (Network layer) - уровень межсетевого взаимодействия (internetworking) – (третий уровень модели OSI), служит для образования единой транспортной подсистемы, объединяющей несколько сетей. При этом сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связи.

Данные, которые поступают на сетевой уровень и которые необходимо передать через составную сеть, снабжаются заголовком сетевого уровня.

Данные вместе с заголовком образуют пакет. Заголовок пакета сетевого уровня несет информацию о номере сети, которой предназначается пакет, а так же другую служебную информацию, необходимую для успешного перехода пакета из сети одного типа в сеть другого типа. К такой информации может относиться, например:

- номер фрагмента пакета, необходимый для успешного проведения операций сборки – разборки фрагментов при соединении сетей с разными максимальными размерами пакетов;

- время жизни пакета, указывающее, как долго он путешествует по интерсети, это время может использоваться для уничтожения «заблудившихся» пакетов;

- качество услуги – критерий выбора маршрута при межсетевых передачах – например, узел – отправитель может потребовать передать пакет с максимальной надежностью, возможно в ущерб времени доставки.

Основными протоколами сетевого уровня являются сетевые протоколы (например, IP или IPX) и протоколы маршрутизации (RIP, OSPF, BGP и др.).

Вспомогательную роль выполняют такие протоколы как - протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol), который предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом- источником пакета. С помощью специальных сообщений ICMP сообщает о невозможности доставки пакета или о превышении времени жизни пакета, об изменении маршрута пересылки, о состоянии системы и т.д. Протокол группового управления IGMP и протокол разрешения адресов ARP.

Сетевые протоколы и протоколы маршрутизации реализуются виде программных модулей на конечных узлах – компьютерах, называемых часто хостами и на промежуточных узлах – маршрутизаторах, называемых шлюзами.

Сетевые протоколы предназначены для передачи пользовательских данных, а протоколы маршрутизации собирают и передают по сети только служебную информацию о возможных маршрутах. Сетевые протоколы активно используют в своей работе таблицу маршрутизации, но ни ее построением, ни поддержанием ее содержимого не занимаются. Эти функции выполняют протоколы маршрутизации. Протоколы маршрутизации могут быть построены на основе разных алгоритмов, отличающихся способами построения таблиц маршрутизации, способами выбора наилучшего маршрута и другими особенностями своей работы. Существуют одношаговые и многошаговые алгоритмы маршрутизации.

На сетевом уровне так же происходит установление соответствия между IP – адресом и аппаратным адресом (МАС - адресом). Установление осуществляется протоколом разрешения адресов – ARP, который для этой цели просматривает ARP – таблицы. Если нужный адрес отсутствует, то выполняется широковещательный ARP – запрос.

Функции сетевого уровня.

В функции сетевого уровня входит решение следующих задач:

1. Передача пакетов между конечными узлами в составных сетях. Сетевой уровень выступает в качестве координатора, организующего работу всех подсетей, лежащих на пути продвижения пакета по составной сети. Составная сеть (Интернет) – это совокупность нескольких сетей, называемых также подсетями (subnet), которые соединяются между собой маршрутизаторами.

2. Выбор маршрута передачи пакетов, наилучшего по некоторому критерию.

3. Согласование разных протоколов канального уровня, использующихся в отдельных подсетях составной сети. Для перемещения данных в пределах подсетей сетевой уровень обращается к используемым в этих подсетях технологиям.

4. На сетевом уровне выполняется одна из важнейших функций маршрутизатора – фильтрация трафика. Маршрутизаторы позволяют администраторам задавать разные правила фильтрации. Например, запретить прохождение в корпоративную сеть всех пакетов, кроме пакетов, поступающих из подсетей этого же предприятия. Фильтрация в данном случае происходит по сетевым адресам. Программное обеспечение маршрутизатора может реализовать различные дисциплины обслуживания очередей пакетов, а так же различные варианты приоритетного обслуживания.

5.На сетевом уровне проверяется контрольная сумма, и если пакет пришел поврежденным, то он отбрасывается (сетевой уровень коррекцией ошибок не занимается). Так же проверяется время жизни пакета – не превышает ли оно допустимой величины (если превысило – то пакет отбрасывается).

Принципы маршрутизации.

Сетевой уровень обеспечивает возможность перемещения пакетов по сети, используя тот маршрут, который в данный момент является более рациональным.

Маршрут – это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения. В сложных составных сетях почти всегда существуют несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Задачу выбора маршрута решают как конечные узлы – компьютеры так и промежуточные узлы – маршрутизаторы на основе таблиц маршрутизации. Маршрутизаторы обычно автоматически создают таблицы маршрутизации, обмениваясь служебной информацией; для конечных узлов таблицы маршрутизации часто создаются вручную администраторами и хранятся виде постоянных файлов на дисках. Маршрутизаторы имеют по несколько портов для подключения сетей, каждый порт маршрутизатора имеет свой собственный сетевой адрес и свой собственный локальный адрес. Если маршрутизатор имеет блок управления, то этот блок имеет свой собственный адрес, по которому к нему обращается центральная станция управления, находящаяся где - то в составной сети.

С помощью протоколов маршрутизации маршрутизаторы составляют карту связей той или иной степени подробности. На основании этой информации для каждого номера сети принимается решение о том, какому следующему маршрутизатору надо передать пакеты, направляемые в эту сеть, чтобы маршрут оказался рациональным. Результаты этих решений заносятся в таблицу маршрутизации.

К протоколам маршрутизации относятся такие протоколы как RIP, OSPF, протокол BGP; протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP.

Крупные сети разбиваются на автономные системы, автономные системы – это сети, присоединенные к магистрали, имеющие свое собственное административное управление и собственные протоколы маршрутизации.

Протоколы маршрутизации делятся на внешние и внутренние. Внешние протоколы (EGP,BGP) переносят маршрутную информацию между автономными системами, а внутренние (RIP, OSPF) применяются в пределах определенной автономной системы.

Протокол BGP позволяет распознавать наличие петель между автономными системами и исключить их из межсистемных маршрутов.

Протокол RIP(Routing Internet Protocol) является одним из наиболее ранних протоколов обмена маршрутной информации и до сих пор чрезвычайно распространен ввиду простоты маршрутизации. Протокол RIP имеет несколько версий, например, для протокола IP имеется версия RIPv1, которая не поддерживает масок и версия RIPv2, это протокол, который передает информацию о масках сетей. С помощью протокола RIP строится таблица маршрутизации. В первом столбце таблицы перечисляются номера сетей, входящих в интерсеть. В каждой строке следом за номером сети указывается сетевой адрес порта следующего маршрутизатора, на который нужно отправить пакет, чтобы тот передвигался по направлению к сети с данным номером по рациональному маршруту. В третьем столбце указывается номер выходного порта данного маршрутизатора. В четвертом столбце указывается расстояние до сети назначения.

Таблица 1.Таблица маршрутизации

Номер сети назначения	Сетевой адрес порта следующего маршрутизатора	Сетевой адрес выходного порта маршрутизатора	Расстояние до сети назначения
201.36.14.0	132. 11. 0.7	132. 11. 0. 101	1

.

В качестве расстояния до сети назначения стандарты протокола RIP допускают различные виды метрик: хопы, метрики, учитывающие пропускную способность, вносимые задержки и надежность сетей. Простейшая метрика – это количество хопов, т. е. количество промежуточных маршрутизаторов, которые нужно преодолеть пакету до сети назначения. Протокол RIP успешно работает в сравнительно небольших сетях, имеющих до 15 маршрутизаторов.

Протокол OSPF (Open Shortest Path Fist) был разработан для эффективной маршрутизации IP- пакетов в больших сетях со сложной топологией, включающей петли. Он основан на алгоритме состояния связей, который обладает высокой устойчивостью к изменениям топологии сети. При выборе маршрута OSPF – маршрутизаторы используют метрику, учитывающую пропускную способность составных сетей. Протокол OSPF учитывает биты качества обслуживания, для каждого типа качества строится отдельная таблица маршрутизации. Протокол OSPF обладает высокой вычислительной сложностью, поэтому чаще всего работает на мощных аппаратных маршрутизаторах.