Лекция 2. Открытые системы и модель OSІ. Стандартизация сетей. Адресация и маршрутизация в сетях с пакетной коммутацией

В начале 1980-х годов ряд международных организаций по стан­дартизации – ISO, ITU-T и другие разработали модель взаимодейст­вия открытых систем(Open System Interconnection, OSI). Средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический.

Краткое описание функций всех уровней модели:

– прикладной – представляет набор интерфейсов, позволяющий получить доступ к сетевым службам;

– представления – преобразует данные в общий формат для передачи по сети;

– сеансовый – поддержка взаимодействия (сеанса) между удаленными процессами;

– транспортный – управляет передачей данных по сети, обеспечивает подтверждение передачи;

– сетевой – маршрутизация, управление потоками данных, адресация сообщений для доставки, преобразование логических сетевых адресов и имен в соответствующие им физические;

– канальный – формирование кадров и управление доступом к среде;

– физический – битовые протоколы передачи информации.

На каждом из уровней решается определенная задача, обеспечивающая функционирование вышестоящего уровня.

Модель OSI можно разделить на две различных модели:

– горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах;

– вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине.

В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной модели соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов прикладных программ API. Перед подачей в сеть данные разбиваются на протокольные единицы (PDU). При отправке данных PDU проходят последовательно через все уровни ПО. На каждом уровне к PDU добавляется управляющая информация данного уровня (заголовок), которая необходима для успешной передачи данных по сети. На принимающей стороне PDU проходят через все уровни в обратном порядке. На каждом уровне протокол этого уровня читает информацию заголовка PDU, затем удаляет информацию, добавленную к PDU на этом же уровне отправляющей стороной, и передает ее следующему уровню. В таблице 2.1 представлены уровни модели OSI и популярные протоколы.

Таблица 2.1

Уровни модели OSI и популярные протоколы

Суть сети –это соединение разного оборудования, а значит, проблема совместимости является здесь одной из наиболее острых. Без согласования всеми производителями общепринятых стандартов для оборудования и протоколов прогресс в деле строительства сетей был бы невозможен. Поэтому, любая технология только тогда приобретет «законный» статус, когда ее содержание закрепляется в соответствующем стандарте.

Модульность – это одно из неотъемлемых свойств вычислительных сетей. Модульность проявляется не только в многоуровневом представлении коммуникационных протоколов в конечных узлах сети, хотя это, безусловно, важная и принципиальная особенность сетевой архитектуры. Сеть состоит из огромного числа различных модулей – компьютеров, сетевых адаптеров, мостов, маршрутизаторов, модемов, операционных систем и модулей приложений.

Разнообразные требования, предъявляемые предприятиями к компьютерным сетям, привели к появлению многочисленных и разнообразных устройств и программ для построения сети. Эти продукты отличаются не только основными функциями, но и многочисленными вспомогательными функциями, предоставляющими пользователям или администраторам дополнительные удобства, такие как автоматизированное конфигурирование параметров устройства, автоматическое обнаружение и устранение некоторых неисправностей, возможность программного изменения связей в сети и т. п.

В результате не существует компании, которая смогла бы обеспечить производство полного набора всех типов и подтипов оборудования и программного обеспечения, необходимого для построения сети. Но, так как все компоненты сети должны работать согласованно, потребовалось принимать многочисленные стандарты, которые, если не во всех, то хотя бы в большинстве случаев, гарантировали бы совместимость оборудования и программ различных фирм-изготовителей.

Таким образом, понятия "модульность" и "стандартизация" в сетях неразрывно связаны, и модульный подход только тогда дает преимущества, когда он сопровождается следованием стандартам.

Работы по стандартизации вычислительных сетей ведутся большим количеством организаций. В зависимости от статуса организаций различают следующие виды стандартов:

- стандарты отдельных фирм (например, стек протоколов DECnet компании Digital Equipment или графический интерфейс OPEN LOOK для Unix-систем компании Sun);

- стандарты специальных комитетов и объединений, создаваемых несколькими фирмами, например стандарты технологии ATM, разраба- тываемые специально созданным объединением ATM Forum, насчитывающим около 100 коллективных участников, или стандарты союза Fast Ethernet Alliance по разработке стандартов 100 Мбит Ethernet;

- национальные стандарты, например стандарт FDDI, один из много- численных стандартов, разработанных Американским национальным институтом стандартов (ANSI), или стандарты безопасности для операционных систем, разработанные Национальным центром компьютерной безопасности (NCSC) Министерства обороны США;

- международные стандарты, например модель и стек коммуни- кационных протоколов Международной организации по стандартизации (ISO), многочисленные стандарты Международного союза электросвязи (ITU), в том числе стандарты на сети с коммутацией пакетов X.25, сети frame relay, ISDN, модемы и многие другие.

Некоторые стандарты, непрерывно развиваясь, могут переходить из одной категории в другую. В частности, фирменные стандарты на продукцию, получившую широкое распространение, обычно становятся международными стандартами де-факто, так как вынуждают производителей из разных стран следовать фирменным стандартам, чтобы обеспечить совместимость своих изделий с этими популярными продуктами.

Более того, ввиду широкого распространения некоторые фирменные стандарты становятся основой для национальных и международных стандартов де-юре. Например, стандарт Ethernet, первоначально разработанный компаниями Digital Equipment, Intel и Xerox, через некоторое время и в несколько измененном виде был принят как национальный стандарт IEEE 802.3, а затем организация ISO утвердила его в качестве международного стандарта ISO 802.3.

Важнейшим направлением стандартизации в области вычислительных сетей является стандартизация коммуникационных протоколов. В настоящее время в сетях используется большое количество стеков коммуникационных протоколов. Наиболее популярны следующие стеки: TCP/IP; IPX/SPX; NetBIOS/SMB; DECnet; SNA; OSI. Все эти стеки, кроме SNA, на нижних уровнях (физическом и канальном) используют одни и те же хорошо стандартизованные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и ряд других, которые позволяют задействовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. Зато на верхних уровнях все стеки работают по своим протоколам. Эти протоколы часто не соответствуют рекомендуемому моделью OSI разбиению на уровни. В частности, функции сеансового и представительного уровня, как правило, объединены с прикладным уровнем. Такое несоответствие связано с тем, что модель OSI появилась как результат обобщения уже существующих и реально используемых стеков, а не наоборот.

Адресация в сетях пакетной коммутации. Существуют три механизма адресации пакета IP: одноадресный (unicast); широковещательные (broadcast);

многоадресные (multicast).

Типы адресов в IP сетях. Каждый терминал в сети TCP/ IP имеет адреса трех уровней:

– физический (МАС-адрес) – локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена сеть, в которую входит данный узел;

– сетевой (IP-адрес), используемый для однозначной идентификации узлов в пределах всей составной сети;

– доменное имя (DNS-имя) – символьный идентификатор узла, к которому часто обращается пользователь.

В общем случае сетевой интерфейс может иметь одновременно один или не­сколько локальных адресов и один или несколько сетевых адресов, а также одно или несколько доменных имен.

Классы IP-адресов. IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например: 128.10.2.30 – десятичная форма представления адреса; 10000000 00001010 00000010 00011110 – двоичная форма представления этого же адреса.

Какая часть из 32 бит, отведенных под IP-адрес, относится к номеру сети, а какая – к номеру узла? Можно предло­жить несколько вариантов решений этой проблемы.

Простейший вариант состоит в том, что все 32-битовое поле адреса заранее делится на две части, не обязатель­но равной, но фиксированной длины, в одной из которых всегда будет разме­щаться номер сети, а в другой – номер узла. Такой способ структуризации адреса не нашел применения.

Другой подход основан на использовании маски, которая позволяет максимально гибко устанавливать границу между номером сети и номером узла. В данном случае маска – это число, которое используется в паре с IP-адресом; двоичная запись маски содержит последовательность единиц в тех разрядах, которые должны в IP-адресе интерпретироваться как номер сети. Поскольку номер сети является цельной частью адреса, единицы в маске также должны представлять непрерывную последовательность. Граница между последова- тельностью единиц и последовательностью нулей в маске соответствует границе между номером сети и номером узла в IP-адресе. При таком подходе адресное пространство можно представить как совокупность множества сетей разного размера.

Вводится несколько классов сетей, и для каждого класса определены свои размеры. На рисунке 2.1 показана структура IP-адреса.

Рисунок 2.1 – Структура IP-адресов

Если адрес начинается с 0, то этот адрес относится к классу A. Сети класса А предназначены, в основном, для использования лишь несколькими большими сетями, поскольку они предоставляют только 8 бит для поля сетевого адреса и 24 бита для поля хоста (номер узла в сети), доступных сетей 126, а доступных хостов 16 777 214 (2²⁴).

Если первые два бита адреса равны 10, то адрес относится к классу В. В адресах: класса В под номер сети и под номер узла отводится по два байта. Этот класс адресов представляет собой неплохой компромисс между адресным пространством сети и хоста, доступных сетей 16 384, а доступных хостов 65 534 (2¹⁶).

Если адрес начинается с последовательности битов 110, то это адрес класса С. В этом случае под номер сети отводился 24 бита, а под номер узла – 8 бит. Сети класса C наиболее распространены, но число узлов (хостов) в них ограничено значением 2⁸ (256).

Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес(multicast).Групповой адрес идентифицирует группу узлов (сетевых интерфейсов), которые в общем случае могут принадлежать разным сетям. Интерфейс, входящий в группу, получает наряду с обычным индивидуальным IP-адресом еще один групповой адрес. Если при от­правке пакета в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой па­кет должен быть доставлен всем узлам, которые входят в группу.

Если адрес начинается с последовательности 11110, то это значит, что данный адрес относится к классу E. Адреса этого класса зарезервированы для будущих применений.

Маршрутизация в сетях пакетной коммутации. Применение мар- шрутизаторов для объединения разнородных сетей и сегментов позволяет оптимизировать пропускную способность этих сетей, увеличить надежность и безопасность. Задача маршрутизаторов – выбор оптимального маршрута передачи пакетов с данными через сеть к узлу назначения. Решение этой задачи маршрутизации возлагается на маршрутные протоколы и протоколы маршрутизации.

Маршрутные протоколы применяются маршрутизаторами при выборе наилучшего маршрута для отправляемых пакетов, таких как IP или IPX (IP – маршрутный (маршрутизируемый) протокол, содержащий данные). Маршрутные протоколы определяют формат заголовка пакета данных. В заголовках пакетов содержится информация, которую маршрутизаторы используют для выбора нужного направления ретрансляции пакетов. Этот выбор производится на основе адреса сети назначения и поиска оптимальных маршрутов в таблице маршрутизации.

Протоколы маршрутизации, т. е. протоколы управления процессами динамической маршрутизации применяются маршрутизаторами для состав- ления и обновления таблиц маршрутизации. Эти протоколы описывают алгоритмы обмена служебными данными о маршрутах между маршрутиза- торами, а также алгоритмы вычисления оптимальных маршрутов. В сетях TCP/IP для этой цели используют протоколы RIP, OSPF и др.

Используются два основных типа протоколов динамической маршру- тизации – дистанционно-векторная маршрутизация и маршрутизация по состо- янию каналов.

Дистанционно-векторная маршрутизация отвечает за количество пройденных транзитных участков (маршрутизаторов), это алгоритм, который используют маршрутизаторы для определения наилучшего маршрута.

Маршрутизация по состоянию каналов затрагивает, главным образом, состояние интерфейсов, которые поддерживают маршрутизатор (т. е. соединение есть или его нет). Она отличается от дистанционно-векторной маршрутизации тем, что передает обновления маршрутов только тогда, когда меняется состояние интерфейса. Маршрутизаторы состояния канала поддерживают таблицу топологии, с помощью которой создается полная картина сети. Это означает, что трафик обновления информации о маршрутизации передается (потребляя ресурсы сети) и обновляет таблицы топологии только тогда, когда любой из интерфейсов подключается или отключается.

Продвижение пакетов в составных сетях осуществляется на основе таблиц мар­шрутизации. Общим в таблицах маршрутизации является то, что в них содержится информация, дос­таточная для принятия решения о продвижении любого поступающего в мар­шрутизатор пакета.

Внутренний протокол маршрутизации RIP. Этот протокол предназначен для сравнительно небольших и относительно однородных сетей (алгоритм Белмана-Форда).

Протокол OSPF (Open Shortest Pass First, алгоритмы предложены Дикстрой) является альтернативой RIP в качестве внутреннего протокола маршрутизации. OSPF представляет собой протокол состояния маршрута (в качестве метрики используется – коэффициент качества обслуживания). Каждый маршрутизатор обладает полной информацией о состоянии всех интерфейсов всех маршрутизаторов (переключателей) автономной системы.

Протокол IGRP разработан фирмой CISCO для своих многопротокольных маршрутизаторов в середине 80-х годов. IGRP представляет собой протокол, который позволяет большому числу маршрутизаторов координировать свою работу.

Протокол BGP разработан компаниями IBM и CISCO. Главная цель BGP – сократить транзитный трафик.

Методы маршрутизации. В настоящее время на сетях с КП используются протоколы маршрутизации, в основе которых реализован один из следующих методов маршрутизации: прозрачная маршрутизация; одношаговая маршру- тизация; маршрутизация от источника.

Прозрачная маршрутизация используется во всех мостах, устанавливаемых в сетях Ethernet и некоторых сетях Token Ring. В основе метода лежит принцип, согласно которому ни сам пакет, ни мост, через который он передается, не должны что-либо знать о маршруте передачи пакета. Каждый мост продвигает пакеты с одной сети во все прилегающие сети до тех пор, пока они не достигнут адреса получателя. Движение пакета по сети не целенаправленно.

Метод одношаговой маршрутизации используется в сетях TCP/IP. Каждый маршрутизатор и конечный узел принимает участие в выборе только одного шага передачи дейтаграммы. В каждой строке таблицы маршрутизации указывается только один IP-адрес следующего маршрутизатора на том пути, по которому нужно передать дейтаграмму.

При маршрутизации от источника выбор маршрута производится конечным узлом-отправителем или первым маршрутизатором на пути следования пакета. Остальные маршрутизаторы только отрабатывают выбранный путь, т. е. ответственность за выбор оптимального маршрута возлагается не на сеть, а на узел-отправитель, либо первый маршрутизатор.

Основная литература: 2 [108 – 131, 486 – 512, 517 – 541].

Дополнительная литература: 6[10 – 45, 141 – 161].

Контрольные вопросы:

1. Что означает модель взаимодейст­вия открытых систем?

2. Какие функции выполняет каждый уровень модели OSI?

3. Для чего нужна стандартизация сетей?

4. Какие классы IP-адресов вы знаете?

5. Какие из методов маршрутизации вы знаете?