Компьютерные сети. 6-е изд.

Сетевой уровень отвечает за передачу пакетов от отправителя получателю. Чтобы достичь пункта назначения, пакет может совершить множество скачков между маршрутизаторами. Это резко контрастирует с деятельностью канального уровня, цель которого намного скромнее — просто перемещать фреймы с одного конца «провода» (виртуального) на другой. Таким образом, сетевой уровень является самым нижним уровнем, имеющим дело с передачей данных по всему пути от начала до конца.

Для достижения этих целей сетевой уровень должен знать топологию сети (то есть весь набор маршрутизаторов и каналов) и рассчитывать подходящие маршруты, даже если она достаточно крупная. При выборе пути он также должен заботиться о равномерной нагрузке на маршрутизаторы и линии связи. Наконец, когда источник и адресат находятся в разных независимо управляемых сетях (иногда называемых автономными системами), приходится решать ряд дополнительных вопросов, включая проблему координации потоков трафика в рамках нескольких сетей и управление загруженностью сети. Эти проблемы обычно решаются на сетевом уровне; операторам сетей часто приходится делать это вручную. Обычно они самостоятельно перенастраивали сетевой уровень путем изменения низкоуровневой конфигурации. Однако с появлением программно-конфигурируемых сетей и программируемого оборудования появилась возможность настраивать сетевой уровень с помощью более эффективного ПО, и даже полностью переопределять его функции. В данной главе мы рассмотрим и проиллюстрируем все эти вопросы — в основном на примере интернета и протокола его сетевого уровня, IP (Internet Protocol).

5.1. Вопросы разработки сетевого уровня

В следующих разделах мы рассмотрим некоторые вопросы, с которыми приходится сталкиваться разработчикам сетевого уровня. К ним относятся службы, предоставляемые транспортному уровню, и внутреннее устройство сети.

5.1.1. Метод коммутации пакетов с ожиданием

Прежде чем начать подробное рассмотрение сетевого уровня, имеет смысл вспомнить окружение, в котором он функционирует (илл. 5.1). Основными компонентами сети являются устройства интернет-провайдера (ISP) — маршрутизаторы, коммутаторы и промежуточные узлы, соединенные линиями связи (они показаны на рисунке в сером овале), а также устройства пользователя (находятся вне овала). Хост H1 напрямую соединен с одним из маршрутизаторов провайдера А (это может быть домашний компьютер, подключенный к DSL-модему). Хост H2, напротив, входит в LAN (например, в офисную сеть Ethernet) с маршрутизатором F, принадлежащим клиенту, который с ним работает. Этот маршрутизатор связывается с провайдером по выделенной линии. Мы показали F вне овала, потому что он не принадлежит ISP. Однако в контексте данной главы мы будем считать маршрутизаторы клиента частью сети ISP, поскольку в них применяются те же самые алгоритмы, что и в маршрутизаторах интернет-провайдеров (именно алгоритмы будут основным предметом рассмотрения).

Илл. 5.1. Окружение, в котором функционируют протоколы сетевого уровня

Система работает следующим образом. Хост, у которого есть пакет для передачи, отправляет его на ближайший маршрутизатор — либо в своей LAN, либо провайдеру по двухточечному соединению (например, по каналу ADSL или по линии кабельного телевидения). Там пакет хранится до тех пор, пока не будет принят целиком и не пройдет полную обработку, включая верификацию контрольной суммы. Затем он передается по цепочке маршрутизаторов, которая в итоге приводит к пункту назначения. Такой механизм называется коммутацией пакетов с промежуточным хранением (store-and-forward), и мы уже рассматривали его в предыдущих главах.

5.1.2. Службы, предоставляемые транспортному уровню

Службы для транспортного уровня предоставляются сетевым уровнем посредством интерфейса между ними. Главное — определить, какими должны быть эти службы. Их разработка требует особой аккуратности, и при этом необходимо учитывать следующее:

1. Службы сетевого уровня не должны зависеть от технологии маршрутизатора.

2. Количество, тип и топология имеющихся маршрутизаторов не должны влиять на транспортный уровень.

3. Сетевые адреса, доступные транспортному уровню, должны использовать единую систему нумерации, даже между LAN и WAN.

С учетом этих условий разработчики абсолютно свободны в написании детальной спецификации служб для транспортного уровня. Эта свобода часто перерастает в яростную борьбу между двумя непримиримыми сторонами. В центре дискуссии — вопрос о том, какие службы должен предоставлять сетевой уровень: с установлением соединения или без него.