Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Уже давно идею создания общего слоя, сглаживающего различия существующих на данный момент сетей, выдвинули Серф и Кан (1974). Этот подход имел невероятный успех и нашел свое применение в протоколах IP и TCP. Сейчас, почти сорок лет спустя, IP составляет основу современной сети Интернет. За это достижение в 2004 году Серф и Кан были удостоены премии Тьюринга, которую неофициально называют Нобелевской премией в области информатики. IP использует универсальный формат пакетов, который распознается всеми маршрутизаторами и может быть передан по практически любой сети. Действие IP распространяется также и на телефонные сети. Кроме того, сейчас IP работает в сенсорных сетях и на малых устройствах, хотя раньше считалось, что такая поддержка невозможна из-за ограничений на ресурсы.

Мы уже говорили о нескольких типах устройств для соединения сетей. Среди них повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы и шлюзы. Повторители и концентраторы просто переносят биты с одного кабеля на другой. Чаще всего это аналоговые устройства, ничего не смыслящие в протоколах вышележащих уровней. Мосты и коммутаторы работают на канальном уровне. Они могут использоваться для построения сетей, осуществляя по ходу дела минимальные преобразования протоколов, например, между сетями Ethernet со скоростями 10, 100 и 1000 Мбит/с. В этом разделе в центре нашего внимания будут устройства сетевого взаимодействия, работающие на сетевом уровне, то есть маршрутизаторы. Шлюзы, являющиеся высокоуровневыми интеркоммуникационными устройствами, будут рассмотрены позднее.

Давайте для начала посмотрим, как взаимодействие через общий сетевой слой может использоваться для объединения разнородных сетей. На рис. 5.34, а изображена интерсеть, состоящая из сетей 802.11, MPLS и Ethernet. Пусть источник в сети 802.11 хочет отправить пакет приемнику в сети Ethernet. Так как технологии отправки в этих сетях различны, и вдобавок пакету придется пройти через сеть другого типа (MPLS), на границах сетей пакеты должны быть дополнительно обработаны.

Рис. 5.34.Взаимодействие через сетевой слой: а — пакет проходит через разные сети; б — выполнение протоколов на сетевом и канальном уровне

Поскольку обычно разные сети используют разные способы адресации, пакет содержит адрес сетевого слоя, который может идентифицировать любой хост любой из трех сетей. Сначала пакет приходит на границу сетей 802.11 и MPLS. Сеть 802.11 не требует соединения, а MPLS, наоборот, ориентирована на соединение. Это значит, что необходимо создать виртуальный канал. Когда пакет пройдет по этому каналу, он достигнет границы сети Ethernet. На этом этапе пакет может оказаться слишком большим, так как 802.11 работает с кадрами большего размера, чем Ethernet. В таком случае пакет разделяется на фрагменты, каждый из которых отправляется по отдельности. Фрагменты снова собираются вместе по прибытии на адрес назначения. Так заканчивается путешествие пакета.

Выполнение протоколов для этого путешествия показано на рис. 5.34, б. Отправитель получает данные от транспортного уровня и создает пакет с заголовком общего сетевого уровня — в данном случае IP. Этот заголовок содержит адрес конечного пункта назначения, который определяет, что пакет должен быть отправлен через первый маршрутизатор. Пакет вставляется в кадр 802.11 с адресом первого маршрутизатора, после чего он передается. На маршрутизаторе из его поля данных извлекается пакет. Далее маршрутизатором анализируется содержащийся в пакете IP-адрес. Этот адрес нужно отыскать в таблице маршрутизации. В соответствии с ним принимается решение об отправке пакета на второй маршрутизатор. Чтобы пакет прошел эту часть пути, нужно добавить виртуальный канал MPLS, ведущий ко второму маршрутизатору, а пакет должен быть упакован в кадр с заголовками MPLS. На противоположном конце заголовок MPLS удаляется, а на основании адреса определяется следующий транзитный участок сетевого уровня. Этот участок ведет к конечному адресу назначения. Так как пакет является слишком длинным для сети Ethernet, он разделяется на две части, каждая из которых помещается в поле данных кадра Ethernet и передается на адрес назначения. Там заголовки кадров считываются, и содержимое исходного пакета восстанавливается. Пакет достиг пункта назначения. Следует отметить, что между случаем коммутации (установки моста) и маршрутизации есть существенная разница. При применении маршрутизатора пакет извлекается из кадра, и для принятия решения используется адрес, содержащийся именно в пакете. Коммутатор (мост) пересылает весь пакет, обосновывая свое решение значением MAC-адреса. Коммутаторы не обязаны вникать в подробности устройства протокола сетевого уровня, с помощью которого производится коммутация. А маршрутизаторы — обязаны.

К сожалению, объединение сетей — не такая простая задача, как может показаться. Когда были внедрены мосты, предполагалось, что они будут соединять разные типы сетей или, по крайней мере, разные типы локальных сетей, преобразовывая кадры одной ЛВС в кадры другой. Однако на практике это не работает. Причина проста: невозможно справиться с отличиями в свойствах ЛВС, такими как максимальный размер пакета и наличие/отсутствие классов приоритетов. Поэтому сейчас мосты используются в основном для объединения сетей одного типа на канальном уровне; для объединения разных сетей на сетевом уровне используются маршрутизаторы.

Объединение сетей нашло свое применение в построении крупных сетей. Однако условием являлось наличие общего сетевого уровня. За многие годы существования компьютерных сетей появилось множество различных протоколов. Заставить всех согласиться применять только один формат практически невозможно, особенно учитывая тот факт, что каждая компания считает самым большим своим достижением изобретение, внедрение и раскручивание собственного формата. Помимо IP, который на данный момент является практически универсальным сетевым протоколом, существуют IPX, SNA и AppleTalk. Ни один из этих протоколов не используется повсеместно. Новые протоколы будут появляться всегда. Наиболее подходящий пример сейчас — протоколы IPv4 и IPv6. Притом что оба они являются версиями IP, они не совместимы (иначе не было бы необходимости в разработке IPv6).

Маршрутизатор, поддерживающий несколько протоколов, называется мультипротокольным маршрутизатором ( multiprotocol router). Он должен либо преобразовывать протоколы, либо обеспечивать соединение на уровне протокола более высокого уровня. Ни один из двух вариантов не отвечает всем требованиям сети. Соединение на более высоком уровне, например с использованием TCP, предполагает, что TCP должен быть реализован во всех сетях (что далеко не всегда так). Более того, в таком случае сетью могут пользоваться только приложения, использующие TCP (к которым не относятся многие программы, работающие в реальном времени).