Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

10. Помните о производительности и цене.Никого не заинтересует сеть низкопроизводительная или дорогостоящая.

Теперь перейдем от общих принципов к деталям построения сетевого уровня Интернета. На сетевом уровне Интернет можно рассматривать как набор сетей или автономных систем(АС), соединенных друг с другом. Структуры как таковой Интернет не имеет, но все же есть несколько магистралей. Они собраны из высокопроизводительных линий и быстрых маршрутизаторов. Самые крупные магистрали (к которым необходимо присоединиться, чтобы получить доступ к остальной части сети Интернет) называются сетями Tier 1. К магистралям присоединены интернет-провайдеры, обеспечивающие доступ к Интернету домам и предприятиям, центры обработки данных и станции колокации с большим числом серверов, а также региональные сети (сети среднего уровня). Центры обработки данных обрабатывают большинство данных, передаваемых по сети Интернет. К региональным сетям присоединяются другие интернет-провайдеры, локальные сети многочисленных университетов и компаний, а также прочие периферийные сети. Схема этой квазииерархической структуры показана на рис. 5.40.

Вся эта конструкция «склеивается» благодаря протоколу сетевого уровня, IP( Internet Protocol— протокол сети Интернет). В отличие от большинства ранних протоколов сетевого уровня, IP с самого начала разрабатывался как протокол межсетевого обмена. Вот как можно описать данный протокол сетевого уровня: его работа заключается в приложении максимума усилий (тем не менее без всяких гарантий) по транспортировке дейтаграмм от отправителя к получателю, независимо от того, находятся эти машины в одной и той же сети или нет.

Соединение в сети Интернет представляет собой следующее. Транспортный уровень берет поток данных и разбивает его на дейтаграммы. Теоретически размер каждой дейтаграммы может достигать 64 Кбайт, однако на практике они обычно не более 1500 байт (укладываются в один кадр Ethernet). IP-маршрутизаторы направляют каждый пакет на следующий маршрутизатор до тех пор, пока он не достигнет места назначения. После этого сетевой уровень передает данные транспортному уровню, вставляющему их во входной поток получающего процесса. Когда фрагменты приходят в пункт назначения, сетевой уровень собирает их в исходную дейтаграмму. Затем эта дейтаграмма передается транспортному уровню.

В примере на рис. 5.40 пакет, посланный одним из хостов домашней сети, пересечет на своем пути четыре сети и пройдет через множество IP-маршрутизаторов, прежде чем доберется до сети предприятия, в которой расположен хост-получатель. На практике такие ситуации встречаются довольно часто, причем существуют и более длинные пути. С точки зрения связности сеть Интернет является избыточной: между магистралями и интернет-провайдерами обычно существует несколько точек соединения. Отсюда и множественные пути между хостами. Задача протокола IP — решить, какие из этих путей лучше использовать.

Рис. 5.40. Интернет представляет собой набор соединенных друг с другом сетей

5.6.1. Протокол IP версии 4

Начнем изучение сетевого уровня Интернета с формата IPv4-дейтаграмм. IPv4-дейтаграмма состоит из заголовка и основной или полезной части. Заголовок содержит обязательную 20-байтную часть, а также необязательную часть переменной длины. Формат заголовка показан на рис. 5.41. Биты передаются слева направо и сверху вниз, то есть старший бит поля Версия передается первым. (Такой порядок байтов называется «big-endian» — «со старшего конца слова». На компьютерах с порядком байтов «little-endian» — «с младшего конца слова», таких как Intel x86, требуется программное преобразование, как при передаче, так и при приеме.) Сейчас уже совершенно ясно, что для IP лучше было использовать порядок «little-endian», но на момент создания протокола это не было столь очевидным.

Поле Версия содержит версию протокола, к которому принадлежит дейтаграмма. Сейчас в сети Интернет доминирует версия 4, поэтому с нее мы и начали обсуждение IP. Включение версии в начало каждой дейтаграммы позволяет использовать

разные версии протокола в течение долгого времени. Вообще-то протокол IPv6, следующая версия IP, был разработан более десяти лет назад, но применять его начинают только сейчас. О нем мы поговорим позже в этом разделе. Широкое распространение протокол IPv6 получит тогда, когда у каждого из 2 31жителей Китая будет настольный ПК, ноутбук и IP-телефон. Что касается нумерации, то ничего странного в ней нет, просто в свое время существовал мало кому известный экспериментальный протокол реального масштаба времени IPv5.

Рис. 5.41.Заголовок IP-дейтаграммы IPv4

Длина заголовка является переменной величиной, для хранения которой выделено поле IHL (в нем указано число 32-разрядных слов). Минимальное значение длины (при отсутствии необязательного поля) равно 5. Максимальное значение этого 4-битового поля равно 15, что соответствует заголовку длиной 60 байт; таким образом, максимальный размер необязательного поля равен 40 байтам. Для некоторых приложений, например для записи маршрута, по которому должен быть переслан пакет, 40 байт слишком мало. В данном случае дополнительное поле оказывается бесполезным.

Поле Дифференцированное обслуживание — одно из немногих полей, смысл которых с годами слегка изменился. Изначально это поле называлось Тип службы. Оно было (впрочем, и до сих пор) предназначено для различения классов обслуживания. Возможны разные комбинации надежности и скорости. Для оцифрованного голоса скорость доставки важнее точности. При передаче файла, наоборот, передача без ошибок важнее быстрой доставки. В поле Тип службы 3 бита использовались для задания приоритета, еще 3 бита показывали, что беспокоит хост больше всего: задержка, пропускная способность или надежность. Но поскольку никто не знал, что делать со всеми этими битами, они не использовались в течение многих лет. Когда появилось дифференцированное обслуживание, IETF сдалась и нашла этому полю другое применение. В результате первые 6 бит задают класс обслуживания; о срочном и гарантированном обслуживании мы уже говорили ранее в этой главе. В последние два бита помещаются явные уведомления о перегрузке; о таких уведомлениях шла речь в разделе, посвященном борьбе с перегрузкой.

Поле Полная длина содержит длину всей дейтаграммы, включая как заголовок, так и данные. Максимальная длина дейтаграммы 65 535 байт. В настоящий момент этот верхний предел достаточен, однако в будущем могут понадобиться дейтаграммы большего размера.