2. Сетевые протоколы и технологии

PDF

2.1 Физический уровень модели OSI

2.1.1 Свойства физического уровня

Физический уровень определяет передачу битов по физическим каналам связи.

На физическом уровне определяют характеристики сред:

полоса пропускания, скорость передачи
волновое сопротивление, напряжение тока сигнала
тип кодирования

Прикладной

Представительный

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический

Передаются сигналы прямоугольной или синусоидальной формы

Кодирование (например): 4B/5B + скремблирование+ манчестерский код

Типы сред: Коаксиальный кабель, экранированная или неэкранированная витая пара, оптоволокно, радиоэфир

Примеры сетевых спецификаций

10 Base — T (10 Base — 2, 100 Base — T, 100 Base — F, и т.д.)

10 — Скорость передачи (Мбит/с): 10, 100, 1000, 10G и т.д.

Base (от baseband) – без мультиплексирование

T — тип среды.

2 – тонкий коаксиал

5 – толстый коаксиал

T – витая пара

F – оптоволокно

Физические ограничения:

Тонкий коаксиал – 185 м.

Толстый коаксиал – 500 м.

Витая пара – 100 м.

Оптоволокно – 5 км и более.

2.1.2 Оборудование физического уровня

Повторитель (репитер, хаб, repeter, hub) – сетевое устройство, которое повторяет данные с одного порта на все остальные.Повторитель имеет несколько портов для подключения узлов, обычно, 10, 16, 24 и т.д.

Повторители характерны для технологии Ethernet.

Повторитель меняет только физическую топологию.

Логическая топология НЕ изменяется.

Место повторителя в стеке OSI

2.1.3 Проблемы масштабирования на физическом уровне

При организации сетей с помощью повторители трафик каждого клиента передается до всех остальных.

То есть данные предназначенные только одному клиенту достигают всех других, подключенных к сети клиентов.

Пусть узел А передает данные B.

Повторители передадут данные на все порты.

Данные получат все узлы сети. Однако все, кроме B отбросят их, так как не предназначены им.

При увеличении числа клиентов (до 10-20) объем «лишнего» трафика увеличивается на столько, что дальнейшее наращивание числа клиентов и служб в сети невозможно.

Противоречие. При построении сети на основе повторителей возникает высокая конкуренция за разделяемую среду передачи данных.Следовательно, необходима локализация трафика и логическая структуризация сети на более высоком уровне.

2.2 Канальный уровень модели OSI

Канальный уровень обеспечивает доставку кадра между двумя узлами сети определенной топологии, и реализованной по определенной технологии.

Проверка доступности среды
Захват среды для передачи данных.
Из каждого блока передаваемых данных формируется кадр, который передается по сети.

Прикладной

Представительный

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический

Единица данных: кадр (frame)

Тип адресов: MAC-адреса

Протоколы: Ethernet (IEEE 802.3), Token Ring (IEEE 802.5), FDDI, SLIP, 100VG-Any_LAN, X.25, ATM, LAP-B, PPP, Wi-Fi, Bluetooth и др.

Передача данных между уровнями:

Протоколы канального уровня

Протоколы со случайным методом доступа к среде (Ethernet)

Протоколы с детерменированным методом доступа к среде (TokenRing, FDDI)

2.2.1 Протокол Ethernet (IEEE 802.3)

Автор: Боб Меткалф (Xerox)

Начиная с: 1975 г.

4B/5B + Манчестерский код

Этапы развития протокола Ethernet

В основе работы протокола Ethernet метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий CSMA/CD (Carrier sense multiply access with collision detection). Случайный (стохастический) доступ.

Алгоритм CSMA/CD

2.2.2 Протокол TokenRing (IEEE 802.5)

Создатель IBM

Начиная с: 1984 г.

Манчестерский код

Используется разделяемая среда на детерминированном (неслучайном) методе доступа, основанном на передаче прав на использование сети. Скорость 4-16 Мбит/с.

Алгоритм передачи кадра в TokenRing

2.2.3 Протокол FDDI

Создатель ANSI

Начиная с: 1986 г.

4B/5B + NRZI

Используется разделяемая среда на детерминированном методе доступа схожем с TokenRing. Используется двойное кольцо, что повышает надежность при обрывах. Скорость до 100 Мбит/с.

Сеть работает в двух режимах:

Первый Thru (сквозной), нормальный – данные проходят через все узлы по первичному кольцу, второе не используется.
Второй Wrap (свернутый), при обрыве кольца – кольца сворачиваются средствами концентраторов или сетевых адаптеров.

Структура двойного кольца в FDDI

SAS (Single Attachment Station),

DAS (Dual Attachment Station),

SAC (Single Attachment Concentrator),

DAC (Dual Attachment Concentrator)

2.2.4 Оборудования канального уровня. Мост и коммутатор

Сетевые адаптеры, Network Interface Card (NIC) – устройство, позволяющее передавать в сеть и принимать данные из сети.

Функции сетевого адаптера:

Захват сети
Передача кадра с данными
Распознавание кадров среди битов данных
Проверка кадров

Мост (bridge), коммутатор 2-го уровня – устройство, предназначенное для объединения сегментов компьютерной сетиКоммутатор, свитч (switch) – многопортовый мультипроцессорный мост.

Цели структуризации сети с помощью мостов и коммутаторов:

Локализация трафика и ограничение домена коллизий

Положительные следствия:

Увеличение пропускной способности сети, приходящейся на один узел
Увеличение гибкости сети
Повышение безопасности данных

2.2.5 Режимы коммутации и алгоритмы работы

Режимы коммутации

С промежуточным хранением (Store and Forward)

Коммутатор читает всю информацию в кадре. Проверяет его на отсутствие ошибок. Выбирает порт коммутаци и посылает в него кадр.

Сквозной (cut-through)

Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию.

+уменьшает задержки при передаче

– нет метода обнаружения ошибок

Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный.

Модификация сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (кадры размером 64 байта обрабатываются по технологии store-and-forward, остальные по технологии cut-through).

Алгоритмы работы сетевых мостов

Алгоритм прозрачного моста (transparent bridge)

Ethernet

Алгоритм моста с маршрутизацией от источника (source routing bridge)
TokenRing, FDDI

2.2.6 Алгоритм прозрачного моста

Проблема: Требуется автоматически определить порт, на котором находится клиент-получатель.

Задача: Необходимо составить таблицу соответствия «MAC-адрес — Порт».
Требуется автоматически.

Посылка: На порт моста поступает кадр с данными, в котором есть MAC-адреса отправителя и получателя.

Решение: MAC-адреса отправителя – известны самим отправителям – значит, их следует использовать для построения таблицы.

Алгоритм построения таблицы коммутации (слева) и передача кадра (справа).

Мост по адресам отправителя строит таблицу коммутации.

Если порт получателя известен, то кадр отправляется по нему. Иначе – на все порты.

2.2.7 Алгоритм моста с маршрутизацией от источника

Пусть есть схема сети на основе топологии типа кольцо

Алгоритм передачи кадра

1. Станция-отправитель помещает в кадр всю адресную информацию о промежуточных мостах и кольцах.

2. Мост ищет свой идентификатор и идентификатор следующего кольца.

3. Мост меняет биты «распознан» (A) и «скопирован» (B), затем отправляет в другое кольцо.

Преимущества	Недостатки
Более рациональные маршруты	Более дорогие сетевые адаптеры, принимающие участие в маршрутизации
Проще и дешевле — не нужно строить таблицы фильтрации	Сеть непрозрачна — кольца имеют номера
Более высокая скорость — не нужно просматривать таблицы фильтрации	Увеличивается трафик за счет широковещательных пакетов

Реализация кольца через коммутатор TokenRing

2.2.8 Оборудование канального уровня и его место в стеке OSI

Сетевые адаптеры, Network Interface Card (NIC) вместе с драйвером на компьютере реализуют физический и канальный уровень.MAC-адрес — атрибут сетевого адаптера.

Место коммутатора в стеке OSI

С помощью хабов и свитчей нельзя создавать:

дублирующие линии связи и циклы,

иначе в сети произойдет «стоячая коллизия».

Технология Spanning Tree Algorithm (STA) на канальном уровне позволяет автоматически определять древовидную конфигурацию связей и резервировать дублирующие линии с помощью свитчей.

Противоречие. Невозможность создания дублирующих линий связи и необходимость объединения разнородных сетей требует реализации более высокоуровневых функций.

2.2.9 Передача данных на канальном уровне

Пусть клиент MAC1 отправляет кадр с данными клиенту MAC2.

Схема передачи кадра от узла 1 к узлу 2 между уровнями

С помощью хабов и свитчей нельзя создавать:

дублирующие линии связи и циклы,

иначе в сети произойдет «стоячая коллизия».

2.2.10 Типы коммутаторов

Типы коммутаторов

УправляемыеПозволяют управлять трафиком, проходящим через порты на основе различных параметров.

Через: SNMP, SSH, telnet.

НеуправляемыеНе позволяют управлять трафиком.

Конструктивное исполнение коммутаторов

Автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов. Обычно предназначены для организации небольших рабочих групп.

Модульные коммутаторы. Предназначены для применения на магистрали сети. Взаимодействие модулей организуется по быстродействующей шине или же на основе быстрой разделяемой памяти большого объема.

Модули коммутаторов обычно поддерживают горячую замену (hot swap)

Стековые коммутаторы. Могут работать автономно, так как выполнены в отдельном корпусе, но имеют специальные интерфейсы, которые позволяют их объединять в общую систему (стек), которая работает как единый коммутатор.

Скорость обмена между корпусами ниже, чем в модульных, т.к. расстояние между ними больше.

2.2.11 Характеристики коммутаторов

Характеристиками коммутатора

Скорость фильтрации (filtering) [кадров/сек] – скорость выполнения этапов:

прием кадра в буфер,
просмотр адресной таблицы и нахождения порта,
уничтожение кадра, т.к. порт назначения = порт источнику.

Скорость продвижения (forwarding) [кадров/сек] – скорость выполнения этапов:

прием кадра в буфер,
просмотр адресной таблицы и нахождения порта,
передача кадра в сеть через порт назначения.

Пропускная способность [байт/сек] — количество переданных данных через его порты в единицу времени.

Задержка передачи кадра [мкс] — время, прошедшее с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на выходном порту коммутатора.

При коммутации «на лету» — 10-40 мкс
При полной буферизации — 50-200 мкс

Максимальная емкость адресной таблицы [шт.] — максимальное количество MAC-адресов, с которыми может одновременно оперировать коммутатор для одного порта.

Внутренняя буферная память [байт на порт] — для временного хранения кадров данных в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт. Буфер предназначен для сглаживания кратковременных пульсаций трафика.

2.2.12 Технология VLAN (IEEE 802.1q)

Часто в сети на канальном уровне возникает широковещательный трафик. Он может быть создан определенными протоколами (ARP, RARP, RIP-IP).

На канальном уровне кадра предназначенный всем узла сети имеет адрес назначения состоящий только из 1 (FF:FF: FF:FF: FF:FF).

Широковещательный трафик передает всем сегментам сети и снижает ее пропускную способность.

Часто узлы сети физически могут находиться в различных местах, однако, при этом гибкость администрирования (переподключение, управление широковещательным трафиком) снижается.

VLAN (Virtual Local Area Network) — виртуальная локальная компьютерная сеть, представляет собой группу хостов с общим набором требований, которые взаимодействуют так, как если бы они были подключены к широковещательному домену, независимо от их физического местонахождения.

VLAN имеет те же свойства, что и физическая LAN, но позволяет конечным станциям группироваться вместе, даже если они не находятся в одной физической сети.

Реорганизация может быть сделана на основе программного обеспечения вместо физического перемещения устройств.

Преимущества VLAN