Сетевой уровень

Сетевой уровень занимает в модели OSI промежуточное положение: его услуга­ми пользуются более высокие уровни, а для выполнения своих функций он использует канальный уровень. Сетевой уровень служит для работы в произ­вольных сетевых топологиях с сохранением простоты передачи пакета базовых топологий. Раньше взаимодействие неоднородных (по топологии) сетей обеспе­чивали с помощью прикладных программ. Например, некоторые системы элек­тронной почты включали программы-отправители писем, которые передавали их по одному. Путь от отправителя до получателя пролегал через различные сети, но это не имело значения, если только системы электронной почты на всех машинах понимали друг друга. Использование прикладных программ для скры­тия деталей реализации имело свои недостатки. Совершенствование таких систем приводило к необходимости обновления программ на всех машинах. Добавление нового сетевого оборудования также приводило к неизбежности мо­дификации программ. Альтернативой программному взаимодействию являются системы, основанные на соединении сетевого уровня.

Канальный уровень не позволяет производить адресацию в сложных сетях. Поэтому при объединении сетей в кадры канального уровня добавляется заголо­вок сетевого уровня. Этот заголовок позволяет находить адресата в сети с любой топологией.

Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зави­сящий от форматов кадров канального уровня сетей, входящих в объединенную сеть. Основное место в заголовке сетевого уровня отводится адресу получателя. При этом используется не МАС-адрес, а составной адрес — номер сети и номер абонента в данной сети. Такая адресация позволяет протоколам сетевого уровня составлять точную схему связи и выбирать оптимальные маршруты при любой топологии. Помимо адреса, заголовок сетевого уровня может содержать допол­нительную информацию, например, время жизни пакета в сети, информацию о связях между сетями, данные для фрагментации и сборки пакетов, информацию о загруженности сети, требования к качеству обслуживания и т. д.

Логическое соединение на сетевом уровне обеспечивает механизм достав­ки пакетов от отправителя к получателю в масштабе времени, определяемом используемым сетевым протоколом. При этом различные сетевые протоколы могут вносить различные технологические задержки в передачу данных.

Ключевым понятием сетевого уровня является понятие абстрактной комму­тационной системы или межсетевого обмена. Коммутация при передаче малень­ких блоков, а не файлов или больших сообщений, имеет ряд преимуществ. Во-первых, она напрямую отображается в базовое сетевое оборудование, что делает ее очень эффективной. Во-вторых, она разделяет процессы передачи дан­ных от прикладных программ, позволяя компьютерам обрабатывать сетевой тра­фик, не зная, какие приложения передают его. В-третьих, она делает систему гибкой, поддерживая сетевые протоколы общего назначения. В-четвертых, она позволяет администраторам сетей вводить новые сетевые технологии, модифи­цируя только программное обеспечение сетевого уровня, не внося при этом ни­каких изменений в прикладные программы. Логика объединенной сети отделяет сетевое взаимодействие от деталей сетевых технологий и скрывает низкоуровне­вые подробности от пользователя. Она определяет проектирование программ и физическую адресацию и маршрутизацию.

Существуют два метода назначения сетевого адреса:

• В первом методе сетевой и канальный адреса не совпадают, что обеспечи­вает гибкость за счет независимости от формата адреса канального уров­ня. Недостатком метода является необходимость повторной нумерации станций в сети, причем чаще всего это приходится делать вручную. Данный метод нашел применение в сетях, построенных на базе протоко­ла IP;

• Во втором методе на сетевом уровне используется адрес канального уров­ня. Это избавляет администратора от присваивания адресов вручную и установления соответствия между сетевыми и канальными адресами одно­го и того же абонента в сети. Однако этот метод приводит к сложностям интерпретации адреса узла в сетях с разными форматами адресов. Метод нашел применение в сетях, построенных на базе протокола IPX.

Сетевой уровень позволяет соединяться двум системам, подключенным к разным сетям. Он же отвечает за выбор маршрута соединения. Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколь­ко сетей с различными принципами передачи данных. Сетевой уровень предо­ставляет средства:

• доставки пакетов в сетях с произвольной топологией;

• структуризации сети методом локализации широковещательного трафика;

• согласования канальных уровней.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор — это устройство, которое собирает ин­формацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество переходов между сетями, каждый раз, выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.

Выбор маршрута называется маршрутизацией — она и является главной за­дачей сетевого уровня. Задача осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием выбора является время передачи данных по маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интен­сивности трафика, которая может изменяться со временем. Некоторые алгорит­мы маршрутизации пытаются учесть изменение нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, по надеж­ности передачи.

На сетевом уровне действуют два вида протоколов. Первый относится к оп­ределению правил передачи пакетов от конечных узлов к маршрутизаторам и между маршрутизаторами. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда, говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другие протоколы, называемые протоколами обмена информацией о маршрутах. С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений.

Протоколы сетевого уровня реализуются драйверами операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов. Примера­ми протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX Novell.

В технологии ATM сетевому уровню модели OSI соответствует уровень адаптации ATM. Уровень адаптации состоит из двух подуровней: подуровня схождения (Convergence Sublayer, CS) и подуровня сегментации и сборки (Seg­mentation and Reassemble Sublayer, SAR) (рис. 4.5). Основной функцией под­уровня сегментации и сборки является «нарезка» блоков пользовательских данных, поступающих с более высоких уровней, на 48-байтные информацион­ные поля ячеек ATM (на передающей стороне) и выделение информации из поступающих ячеек (на принимающей стороне). Подуровень схождения выпол­няет функции обеспечения транспортировки данных.

CS-подуровень

SAR-подуровень

Рис. 4.5. Подуровни уровня адаптации ATM

Рассмотренные физический, канальный и сетевой уровни модели OSI явля­ются обязательными практически для всех технологий. Именно на этих уровнях формируются информационные потоки, происходит коммутация и маршрутиза­ция по сетям и осуществляется доставка данных получателю. В связи с тем, что многие технологии разрабатывались параллельно с принятием эталонной моде­ли OSI, названия и назначения их подуровней менялись для согласования с этой моделью. Таблица 4.5 показывает соответствие трех нижних уровней различных современных технологий уровням эталонной модели OSI.

Таблица 4.5. Соответствие уровням модели OSI

Уровни OSI	Уровни IEEE	Уровни Х.25	Уровни 802.Х				Уровни Frame Relay	Уровни FDDI		Уровни ATM
Сетевой		PLP	802.1				Q.933 (SVC)	IEEE 802.2 LLC/MAC	SMT	AAL
Каналь­ный	LCC/ MAC	LAP-В	802.1				LAP-F	PHY		Уровень ATM
Физи­ческий	Физи­ческий	Х.21, X.21bis	802.3	802.4	802.5	802.6	BRI и PRI	PMD		Физи­ческий