Спецификации физической среды Ethernet

Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. Поэтому первые спецификации были созданы именно для этого вида кабеля, а дальнейшем и другие спецификации для других видов кабеля.

Данные спецификации описывают основные физические характеристики кабеля, исходя из которых, можно понять при каких условиях его можно использовать и что при этом от сети можно ожидать.

10Base-5 – описывает коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма. Имеет волоконное сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента – 500 м.

10Base-2 – описывает коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма. Волоконное сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента – 185 м.

10Base-T – описывает кабель на основе неэкранированной витой пары (UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом – не более 100 м.

10Base-F – описывает волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T. Имеет несколько вариантов этой спецификации – FOIPL (расстояние до 1000 м), 10Base-FL (расстояние до 2000 м), 10Base-FB (расстояние до 2000 м) используется только для соединения повторителей.

Число 10 означает номинальную битовую скорость передачи данных в 10Мбит/с, слово «Base» - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц. Последний символ означает тип кабеля.

Спецификации Fast Ethernet записываются с цифры 100, для Gigabit Ethernet с цифры 1000 и также описывают характеристики кабеля в данной технологии.

Тема 1.4. Пакеты. Маршрутизация пакетов Пакеты. Маршрутизация пакетов

Пакет – это единица информации, передаваемой по компьютерной сети.

При разбиении данных на пакеты сетевая операционная система добавляет к каждому пакету специальную управляющую информацию. Она обеспечивает: передачу исходных данных небольшими блоками, сбор данных в надлежащем порядке (при их получении), проверку данных на наличие ошибок (после сборки).

Структура пакетов.

Некоторые компоненты являются обязательными для всех типов пакетов это - адрес источника (source), идентифицирующий компьютер-отправитель; передаваемые данные;.адрес местоназначения (destination), идентифицирующий компьютер-получатель; инструкции сетевым компонентам о дальнейшем маршруте данных; информация компьютеру-получателю о том, как объединить передаваемый пакет с остальными, чтобы получить данные в исходном виде; информация для проверки ошибок, обеспечивающая корректность передачи.

Компоненты пакета группируются в три раздела: заголовок, данные и трейлер.

Заголовок включает: сигнал, говорящий о том, что передается пакет; адрес источника; адрес местоназначения; информацию, синхронизирующую передачу.

Данные – это часть пакета, т.е. передаваемые данные. В зависимости от типа сети их размер может меняться. Но для большинства сетей он составляет от 512 байтов (0,5 Кб) до 4 Кб. Так как обычно размер исходных данных гораздо больше 4 Кб, для помещения в пакет их необходимо разбивать на меньшие блоки. При передаче объемного файла может потребоваться много пакетов.

Трейлер (концевик, терминатор).

Содержимое трейлера зависит от метода связи, или протокола. Чаще всего трейлер содержит информацию для проверки ошибок, называемую циклическим избыточным кодом (Cyclical Redundancy Check, CRC).

Составная сеть или интерсеть. Подсеть.

Сеть в общем случае рассматривается как совокупность нескольких сетей и называется составной сетью или интерсетью (internetwork или internet). Сети, входящие в составную сеть, называются подсетями (subnet), составляющими сетями или просто сетями.

Различают интегрированные сети, неинтегрированные сети и подсети.

Интегрированная вычислительная сеть представляет собой взаимосвязанную совокупность многих вычислительных сетей, которые в интерсети называются подсетями.

Интерсети приспособлены для различных видов связи: телефонии, электронной почты, передачи видеоинформации, цифровых данных и т.п., и в этом случае они называются сетями интегрального обслуживания.

Подсети в интерсетях объединяются в соответствии с выбранной топологией с помощью блоков взаимодействия.

При передаче пакета из одной подсети в другую пакет сетевого уровня, инкапсулированный (инкапсуляция – способ упаковки данных в формате вышестоящего протокола в формат нижестоящего протокола, при этом один или несколько первичных пакетов преобразуется в один вторичный пакет и снабжается управляющей информацией, характерной для принимаемого уровня) в прибывший канальный кадр первой подсети, освобождается от заголовков этого кадра и окружается заголовками кадра канального уровня следующей подсети. Информацией, на основе которой делается эта замена, являются служебные поля пакета сетевого уровня. В поле адреса назначения нового кадра указывается локальный адрес следующего маршрутизатора.

Если в подсети доставка данных осуществляется средствами канального и физического уровней (как, например, в стандартных локальных сетях), то пакеты сетевого уровня упаковываются в кадры канального уровня. Если же в какой-либо подсети для транспортировки сообщений используется технология, основанная на стеках с большим числом уровней, то пакеты сетевого уровня упаковываются в блоки передаваемых данных самого высокого уровня подсети.

В общем случае деление сети на логические сегменты повышает производительность сети (за счет разгрузки сегментов), а также гибкость построения сети, увеличивая степень защиты данных, и облегчает управление сетью.

Сегментация увеличивает гибкость сети. При построении сети как совокупности подсетей каждая подсеть может быть адаптирована к специфическим потребностям рабочей группы или отдела. Процесс разбиения сети на логические сегменты можно рассматривать и в обратном направлении, как процесс создания большой сети из модулей - уже имеющихся подсетей.

Подсети повышают безопасность данных. При подключении пользователей к различным физическим сегментам сети можно запретить доступ определенных пользователей к ресурсам других сегментов. Устанавливая различные логические фильтры на мостах, коммутаторах и маршрутизаторах, можно контролировать доступ к ресурсам, чего не позволяют сделать повторители.

Подсети упрощают управление сетью. Побочным эффектом уменьшения трафика и повышения безопасности данных является упрощение управления сетью. Проблемы очень часто локализуются внутри сегмента. Как и в случае структурированной кабельной системы, проблемы одной подсети не оказывают влияния на другие подсети. Подсети образуют логические домены управления сетью.

Маршрутизация. Маршрут. Таблица маршрутизации

Под термином «маршрутизация пактов» можно понимать некий механизм, позволяющий осуществить передачу пакета с одного узла составной сети на другой.

Маршрутом пересылки пакета с одного узла составной сети на другой является порядок прохождения этим пакетом транзитных сетей, соединяющих сети, в которых расположены источник и адресат данного пакета.

Составные сети, в которых требуется маршрутизация пакетов на сетевом уровне, должны быть объединены между собой посредством маршрутизаторов. Поэтому маршрутом пересылки пакета по сети можно назвать последовательность маршрутизаторов, через которые этот пакет будет перенаправлен в процессе следования к своему адресату.

Маршрутизация пакетов включает в себя две основные задачи:

• определение оптимального маршрута пересылки пакета по составной сети;

• пересылку пакета по сети.

Чтобы иметь возможность определения оптимального маршрута пересылки пакета, маршрутизатор должен иметь информацию обо всех существующих и доступных в данный момент времени маршрутах. Метод, основанный на таком представлении маршрутной информации, называется маршрутизацией по источнику и обычно используется при тестировании работы сети.

Однако такая информация, особенно в сложных сетях, оказывается весьма громоздкой и неудобной для осуществления по ней поиска с целью выбора маршрута.

Поэтому ни узел, отправляющий пакет, ни какой-либо промежуточный маршрутизатор на пути их следования не хранят информацию обо всем маршруте пакета в целом. Узел-отправитель, и маршрутизатор знают адрес маршрутизатора, на который будет направлен пакет, чтобы он был доставлен по назначению.

Таким образом, процесс маршрутизации состоит в определении следующего узла в пути следования пакета и пересылки пакета этому узлу. Такой узел называется хопом (прыжок). Действительно, передача пакета по составной сети происходит своего рода скачками от маршрутизатора к маршрутизатору.

Таблица маршрутизации

Информация, ставящая в соответствии конечному адресу назначение пакета адрес маршрутизатора, на который нужно дальше отправить пакет для достижения адреса назначения, хранится в специальной таблице маршрутов, которая размешается на маршрутизаторе.

Запись таблицы маршрутов обычно содержит следующие элементы:

• поле адреса назначения;

• поле адреса следующего по ходу следования пакета маршрутизатора;

• вспомогательные поля.

В зависимости от используемого алгоритма маршрутизации таблица маршрутизации может заполняться вручную администратором либо посредством специальных протоколов сбора маршрутной информации.

При этом, на каждом маршрутизаторе должна быть своя таблица маршрутов.

Чтобы информация о маршрутах оставалась актуальной и соответствовала существующим маршрутам, маршрутизаторы в процессе своей работы с помощью протоколов маршрутизации обмениваются сообщениями, содержащими информацию об обнаруженных изменениях в топологии сети и доступных маршрутах. На основе новых данных изменяется таблица маршрутов.

Выбор того или иного маршрута из таблицы маршрутизации происходит на основе применяемого данным маршрутизатором алгоритма маршрутизации, основанного на разных критериях.

Алгоритмы маршрутизации

Алгоритм маршрутизации – это совокупность действий, которые выполняются активными компонентами сети, для того чтобы обеспечить возможность корректной доставки данных абонентам данной сети.

При выборе рационального маршрута определялся только следующий (ближайший) маршрутизатор, а не вся последовательность маршрутизаторов от начального до конечного узла. В соответствии с этим каждый маршрутизатор ответственен за выбор только одного шага маршрута, а окончательный маршрут складывается в результате работы всех маршрутизаторов, через которые проходит данный пакет. Такие алгоритмы маршрутизации называются одношаговыми.

Существует и прямо противоположный, многошаговый подход - маршрутизация от источника (Source Routing). В соответствии с ним узел-источник задает в отправляемом в сеть пакете полный маршрут его следования через все промежуточные маршрутизаторы. При использовании многошаговой маршрутизации нет необходимости строить и анализировать таблицы маршрутизации. Это ускоряет прохождение пакета по сети, разгружает маршрутизаторы, но при этом большая нагрузка ложится на конечные узлы. Эта схема в вычислительных сетях применяется сегодня гораздо реже, чем схема распределенной одношаговой маршрутизации. Однако в новой версии протокола IP наряду с классической одношаговой маршрутизацией будет разрешена и маршрутизация от источника.

Одношаговые алгоритмы в зависимости от способа формирования таблиц маршрутизации делятся на три класса:

• алгоритмы фиксированной (или статической) маршрутизации;

• алгоритмы простой маршрутизации;

• алгоритмы адаптивной (или динамической) маршрутизации.

В алгоритмах фиксированной маршрутизации все записи в таблице маршрутизации являются статическими. Администратор сети сам решает, на какие маршрутизаторы надо передавать пакеты с теми или иными адресами, и вручную заносит соответствующие записи в таблицу маршрутизации. Таблица, как правило, создается в процессе загрузки, в дальнейшем она используется без изменений до тех пор, пока ее содержимое не будет отредактировано вручную. Такие исправления могут понадобиться, например, если в сети отказывает какой-либо маршрутизатор и его функции возлагаются на другой маршрутизатор. Различают одномаршрутные таблицы, в которых для каждого адресата задан один путь, и многомаршрутные таблицы, определяющие несколько альтернативных путей для каждого адресата. В многомаршрутных таблицах должно быть задано правило выбора одного из маршрутов. Чаще всего один путь является основным, а остальные - резервными. Понятно, что алгоритм фиксированной маршрутизации с его ручным способом формирования таблиц маршрутизации приемлем только в небольших сетях с простой топологией. Однако этот алгоритм может быть эффективно использован и для работы на магистралях крупных сетей, так как сама магистраль может иметь простую структуру с очевидными наилучшими путями следования пакетов в подсети, присоединенные к магистрали.

Протоколы маршрутизации

Для автоматического построения таблиц маршрутизации маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии составной сети в соответствии со специальным служебным протоколом. Протоколы этого типа называются протоколами маршрутизации (или маршрутизирующими протоколами).

Протоколы маршрутизации могут быть построены на основе разных алгоритмов, отличающихся способами построения таблиц маршрутизации, способами выбора наилучшего маршрута и другими особенностями своей работы.

Выделяют три основных вида протоколов маршрутизации – это RIP, OSPF, NLSP.

RIP (Routing Information Protocol) был первоначально разработан фирмой Xerox и используется теперь в SPX/IPX и TCP/IP. RIP - это протокол дистанционного вектора, и в глобальных сетях он неэффективен.

NLSP (NetWare Link Service Protocol) представляет собой протокол, разработанный Novell для замены RIP и используется в SPX/IPX. Он улучшает передачу пакетов между пользователями различных сегментов локальных сетей. Каждый маршрутизатор знает топологию сети, и рассылка таблиц маршрутизации уменьшается.

OSPF (Open Shortest Path First) это протокол состояния связи, являющийся частью комплекта протоколов TCP/IP. OSPF маршрутизирует пакеты в соответствии с трафиком, стоимостью пересылки, приоритетом и загрузкой сети.

Протоколы маршрутизации определяют топологию сети и сохраняют информацию о ней в таблице маршрутизации. Если маршрутизатор не применяет протокол маршрутизации, он хранит статические маршруты или использует отдельный протокол на каждом интерфейсе. Обычно маршрутизаторы работают с одним протоколом маршрутизации.

Протоколы маршрутизации выполняют две важнейшие функции.

Во-первых, с их помощью определяется оптимальный путь передачи пакета по сети. Обычно избирается путь, обеспечивающий минимальное время доставки при максимальной надежности. Как правило, это путь с минимальным числом транзитных узлов; передача данных в обход загруженных участков (с целью исключения заторов) - исключение из этого правила.

Протокол маршрутизации предполагает постоянный сбор информации о состоянии маршрутов и обновление таблиц маршрутизации при изменении топологии сети вследствие отказов или перегрузок. Таким образом, таблицы маршрутизации всегда содержат точную информацию о топологии сети.

Во-вторых, функцией протоколов маршрутизации является передача пакетов по сети. Получая очередной пакет, маршрутизатор считывает адрес назначения из заголовка пакета и определяет, в каком направлении (через какой узел) следует осуществить дальнейшую передачу пакета. Для принятия такого решения используется информация из таблицы маршрутизации.

Маршрутизируемые и немаршрутизируемые протоколы

Данные, передаваемые из одной локальной сети в другую по одному из возможных маршрутов, называются маршрутизированными. Протоколы, которые поддерживают передачу данных между сетями по нескольким маршрутам, называются маршрутизируемыми (routable) протоколами. Так как маршрутизируемые протоколы могут использоваться для объединения нескольких локальных сетей в глобальную сеть, их роль постоянно возрастает.

Маршрутизируемые протоколы – это протоколы, которые поддерживают передачу пакетов между сетями по нескольким маршрутам к ним можно отнести TCP / IP, IPX / SPX.

Протокол маршрутизации может работать только тогда, когда формат пакетов соответствует одному из маршрутизируемых протоколов (routable protocol) - не путать с протоколами маршрутизации (routing protocols). Примеры маршрутизируемых протоколов - IP, IPX, Xerox Network System. Маршрутизируемые протоколы задают формат пакетов, в которые данные упаковываются для передачи по сети, а протоколы маршрутизации обеспечивают передачу этих пакетов, определяя путь их следования по адресам назначения, приведенным в полях заголовка.

Планируя сеть, следует использовать только один стандартный маршрутизируемый протокол. Некоторые маршрутизаторы могут работать с несколькими протоколами, однако применение разных протоколов в одной и той же сети снижает ее производительность и усложняет работу администраторов сети.

Например, такие протоколы, как NetBEUI или LAT, являются немаршрутизируемыми и не способны обеспечивать функции сетевого уровня. NetBEUI - немаршрутизируемый протокол – разработан для небольших локальных сетей состоящих из 20-30 компьютеров, он не подходит для глобальных сетей. Протокол обеспечивает совместимость существующих ЛВС со старыми сетевыми системами, такими как Microsoft LAN Management и Microsoft Windows. Реализует связь между компьютерами с установлением или без установления соединения; автоматическую настройку; защиту от ошибок; невысокие требования к памяти, полагается на широковещательную передачу при выполнении многих функций, например при обнаружении и регистрации имен, его применение приводит к увеличению широковещательного трафика по сравнению с другими протоколами. Конечно, данные в формате NetBEUI или LAT можно пересылать по глобальной сети, но для этого надо либо инкапсулировать их с использованием маршрутизируемого протокола (например, IP), либо организовать мост между маршрутизаторами. В последнем случае дорогостоящие ресурсы маршрутизатора применяются для организации мостового соединения, что снижает общую производительность сети. По-видимому, наилучшим выходом из положения оказывается IP-инкапсулирование, однако время передачи данных возрастает - на сей раз из-за увеличения накладных расходов. Следовательно, лучше всего вообще отказаться от использования немаршрутизируемых протоколов.