11. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ ПРОТОКОЛОВ СЕТЕВОГО УРОВНЯ

В стандартную модель взаимодействия открытых систем в функции сетевого уровня входит решение следующих задач:

• передача пакетов между конечными узлами в составных сетях;
• выбор маршрута передачи пакетов, наилучшего по некоторому критерию;
• согласование разных протоколов канального уровня, использующихся в отдельных подсетях одной составной сети.

Протоколы сетевого уровня реализуются, как правило, в виде программных модулей и выполняются на конечных узлах-компьютерах, называемых хостами, а также на промежуточных узлах-маршрутизаторах, называемых шлюзами. Функции маршрутизаторов могут выполнять как специализированные устройства, так и универсальные компьютеры с соответствующим программным обеспечением.

Создание сложной, структурированной сети, интегрирующей различные базовые технологии, может осуществляться и средствами канального уровня. Однако построение сложных сетей только на основе повторителей, мостов и коммутаторов имеет существенные ограничения и недостатки.

• В топологии получившейся сети должны отсутствовать петли. В то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необходимо.
• Логические сегменты сети, расположенные между мостами или коммутаторами, слабо изолированы друг от друга (широковещательный шторм). Использование же механизма виртуальных сетей, хотя и позволяет достаточно гибко создавать изолированные по трафику группы станций, но при этом изолирует их полностью, так что узлы одной виртуальной сети не могут взаимодействовать с узлами другой виртуальной сети.
• В сетях, построенных на основе мостов и коммутаторов, достаточно сложно решается задача управления трафиком на основе значения данных, содержащихся в пакете.
• Реализация транспортной подсистемы только средствами физического и канального уровней приводит к недостаточно гибкой, одноуровневой системе адресации (МАС-адрес), жестко связанной с сетевым адаптером.
• В объединяемых сетях должны совпадать максимально допустимые размеры полей данных в кадрах, так как мостами и коммутаторами не поддерживается фрагментация кадров.

Все это показывает, что построение на основе канального уровня больших неоднородных сетей является весьма проблематично. Естественное решение в этих случаях — это привлечение средств более высокого, сетевого уровня.

Основная идея введения сетевого уровня состоит в следующем. Сеть 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 (рис. 42).

Рис. 42 Архитектура составной сети

Подсети соединяются между собой маршрутизаторами. Компонентами составной сети могут являться как локальные, так и глобальные сети. Все узлы в пределах одной подсети взаимодействуют, используя единую для них технологию (локальные сети Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI и глобальные сети flame relay, X.25, ISDN). Каждая из этих технологий достаточна для организации взаимодействия всех узлов в своей подсети, но не способна построить информационную связь между произвольно выбранными узлами, принадлежащими разным подсетям. Такие средства и предоставляет сетевой уровень.

Для перемещения данных в пределах подсетей сетевой уровень обращается к используемым в этих подсетях технологиям.

Адреса, присвоенные узлам в соответствии с технологиями подсетей, называют локальными. Чтобы сетевой уровень мог выполнить свою задачу, ему необходима собственная система адресации, не зависящая от способов адресации узлов в отдельных подсетях.

Таким способом формирования сетевого адреса является уникальная нумерация всех подсетей составной сети и нумерация всех узлов в пределах каждой подсети. Таким образом, сетевой адрес представляет собой пару: номер сети (подсети) и номер узла.

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 имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня тех сетей, которые могут входить в объединенную сеть, и несет, наряду с другой служебной информацией, данные о номере сети, которой предназначается этот пакет. Сетевой уровень определяет маршрут и перемещает пакет между подсетями.

При передаче пакета из одной подсети в другую пакет сетевого уровня, инкапсулированный 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.

Основным полем заголовка сетевого уровня является номер сети-адресата. Явная нумерация сетей позволяет протоколам сетевого уровня составлять точную карту межсетевых связей и выбирать рациональные маршруты при любой их топологии, в том числе альтернативные маршруты, если они имеются, что не умеют делать мосты и коммутаторы.

Кроме номера сети заголовок сетевого уровня должен содержать и другую информацию:

• 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.

Когда две или более сети организуют совместную транспортную службу, то такой режим взаимодействия обычно называют межсетевым взаимодействием (internetworking).