Аппаратура и сети доступа  

Тема 4. Технологии мультиплексирования в сети доступа

назад | оглавление | вперёд

 

4.5 Основные понятия о технологии IP

Наравне с другими протоколами взаимодействия сетей - например, семиуровневой моделью взаимодействия открытых систем OSI, в сети доступа находит применение пакетная технология передачи и мультиплексирования данных TCP/IP, которую лучше всего представить в виде иерархической модели. Однако в архитектуре протокола TCP/IP можно выделить лишь 4 уровня вместо 7 по ISO/OSI (рисунок 4.31).

Рисунок 4.31 Архитектура протокола TCP/IP

Данные уровни можно охарактеризовать следующим образом.

Уровень канала данных: определяет характеристики физического соединения с определенной средой передачи и формат информационного кадра (фрейма), передаваемого или получаемого данной средой. Протокол TCP/IP поддерживается различными технологиями передачи данных, такими как Ethernet (с различными скоростями передачи), ATM, кольцевая сеть с маркерным доступом (Token Ring), оптоволоконный распределенный интерфейс данных (FDDI) и Frame Relay. По этому TCP/IP имеет определенное преимущество, поскольку может применяться практически в любых физических сетях. Физический уровень имеет ряд стандартов, среди которых наиболее популярны IEEE 802.

Уровень IP: отвечает за транспортировку пакетов данных от источника (терминала) к пункту назначения. Каждый пакет содержит поле IP-адреса адресата, которое используется уровнем IP для пересылки пакета пункту назначения.

Уровень IP может оперировать на различных видах оборудования, включая хост источника и хост адресата. Протокольные данные IP также используются устройствами коммутации и транспортировки пакетов данных, т. е. маршрутизаторами, принципы работы которых будут подробно рассмотрены ниже. Уровень IP осуществляет передачу данных без установления соединения, т. е. перед началом передачи не требуется создавать путь (маршрут) для соединения с адресатом. Теоретически, любой пакет можно доставить одному и тому же адресату с использованием различных маршрутов. Поэтому IP не гарантирует, доставлен ли пакет к месту назначения, полностью ли он доставлен и т. д. Разработчики IP полагают, что таким образом системе нет необходимости дополнительно сохранять статус каждого соединения или данных. Следует отметить, что выше уровня IP существует множество функций транспортного и прикладного уровней, а ниже уровня IP существует множество технологий, используемых канальным уровнем. Однако именно компоненты IP являются точками согласования (конвергенции) TCP/IP и Internet. В настоящее время существует 2 версии IP: IPv4 и IPv6. Сейчас используется IPv4. Версия IPv6 считается версией IP нового поколения и представляет собой существенно упрощенную версию, где многие функции усовершенствованы. Самое важное усовершенствование – значительное увеличение адресного пространства. Для получения детального описания IPv6 можно воспользоваться известной учебной литературой [62,83].

Уровень TCP/UDP: данный уровень, называемый уровнем передачи, действует выше уровня IP. Он состоит из двух протоколов. Между источником и пунктом назначения протокол TCP обеспечивает надежную, ориентированную на соединение передачу данных. Протокол UDP, напротив, может обеспечить лишь ненадежную передачу без установления соединения. Как TCP, так и UDP оперируют на узле IP, обеспечивая специфические услуги для различных приложений.

Прикладной уровень: Различные приложения пользуются услугами нижнего уровня TCP/IP. Вот, например, некоторые из хорошо известных приложений TCP/IP: Telnet, используемый для эмуляции терминала, протокол передачи файлов FTP, используемый для передачи файлов, протокол передачи гипертекстовых файлов HTTP, используемый для просмотра в Интернет информационных home-страниц, и протокол электронной почты SMTP, используемый электронной почтой E-mail.

Кроме протокольного стека TCP/IP включает два основных элемента: пакет IP и маршрутизатор. Пример пакета приведён на рисуноке 4.32.

Рисунок 4.32 Простой пакет IP

Пакет IP состоит из последовательных полей полезной (информационной) нагрузки (payload), заголовка передачи (transmission header), заголовка IP (IP header) и заголовка канала передачи данных (data link header). Когда пакет передается через ту или иную среду (например, Ethernet), заголовок канала передачи данных используется для продвижения пакета от источника к адресату. Если на пути передачи пакета от источника адресату используются различные технологии организации канала, содержимое данного заголовка будет разным. Приведем реальный пример. Путь от источника к месту назначения включает локальную сеть Ethernet, Frame Relay PVC и локальную кольцевую сеть с маркерным доступом (Token Ring). Заголовок передачи может состоять из заголовка TCP и заголовка UDP. Они могут быть опущены в случае, если приложение само обеспечивает функцию передачи, не пользуясь услугами уровня передачи, обеспечиваемыми протоколами TCP или UDP. Заголовок IP определенно необходим, так как он содержит окончательный адрес узла назначения IP-пакета. Маршрутизатор – устройство, обеспечивающее передачу IP-пакетов между сетями. Каждый из сетевых интерфейсов маршрутизатора соединяется соответственно с другими сетями. Маршрутизатор постоянно обменивается информацией с другими маршрутизаторами. Информация включает данные о расположении и методах доступа к различным сетям в Internet. Информационный обмен между маршрутизаторами должен осуществляться с использованием соответствующих протоколов маршрутизации.

Кроме того, маршрутизатор использует протокол для вычисления “оптимизированного маршрута” (т. е., фактически самого короткого или самого экономного пути) IP-пакета до пункта назначения.

Адрес IP представляет собой уникальный 32-битовый номер, присваиваемый каждому узлу, имеющему соединение с Internet. Структура IP-адреса упрощает адресацию в сети, т. е. сначала на основе сетевого адреса (или идентификатора сети) в IP-адресе устанавливается сеть адресата, а затем определяется конкретный терминал, которому адресовано сообщение. Поэтому IP-адрес является не просто компьютерным номером, а обозначает особый, конкретный компьютер, подключенный к конкретной сети. Адреса IP выдаются Сетевым информационным центром NIC американской военной сети передачи данных DDN.

Между различными сетями существуют большие отличия. Некоторые из них содержат множество станций, другие - всего несколько. Для удобства управления адресами все IP-адреса в Интернет делятся на пять классов - от A до E. Адрес IP состоит из 3 полей (рисунок 4.33).

Поле класса IP-адреса (также называемое битом класса), используемое для различения классов IP-адресов.

Поле сетевого адреса, или идентификатор сети.

Поле адреса узла, или идентификатор станции.

Адрес класса D – групповой адрес, в основном используется организацией IAB (Internet Architecture Board). Адреса класса Е зарезервированы для будущего использования. В настоящее время большинство IP-адресов относятся к классам A, B и C.

Для класса А не хватает сетевых адресов. В настоящее время почти не существует свободных номеров для присвоения адресов класса А. Можно запросить только адреса классов B и C. Если организация запрашивает и получает IP-адрес у IAB, фактически, она получает именно сетевой адрес, или идентификатор сети (net-id). Адреса узлов распределяются самой организацией. В пределах одной организации адреса узлов не должны повторяться.

Рисунок 4.33 Пять классов адресов IP

Как правило, каждые 8 бит 32-хбитового адреса IP выражаются десятичными числами. На границе между двумя последовательностями цифр ставится точка. Например, IP-адрес имеет следующий вид:

10000000 00001011 00000011 00011111

Данный адрес IP относится к классу B. Его также можно записать в виде 128.11.3.31. Очевидно, что последняя запись более удобна.

При использовании IP-адресов нужно учитывать, что некоторые адреса зарезервированы для особых случаев, и обычно не используются:

идентификатор сети, содержащий только нули (0) обозначает данную сеть или сеть с неизвестным адресом;

идентификатор сети, содержащий только единицы (1);

адрес хоста, содержащий только нули, означает, что данный IP-адрес является адресом данной сети;

адрес узла, содержащий только единицы, обозначает широковещательный адрес, т. е. передачу данных всем хостам сети;

IP-адрес состоит только из нулей, т. е. 0.0.0.0.

Идентификатор сети 127.X.X.X. X.X.X может быть любым числом. Такие сетевые идентификаторы используются для тестирования локального программного обеспечения с помощью «петли».

Адрес, полностью состоящий из 1, т. е. 255.255.255.255, означает широковещательную передачу всем станциям данной сети. Раньше для этой цели использовался адрес 0.0.0.0.

IP-адрес имеет некоторые важные особенности:

1) Структура IP-адреса не является иерархической, т. е., другими словами, в отличие от структуры телефонного номера IP-адрес не содержит никакой информации о географическом расположении станции (терминала).
2) Если узел соединен одновременно с двумя сетями (например, если это маршрутизатор), он должен соответственно иметь два IP-адреса с различными сетевыми адресами. Такой он называется многоканальным узлом (multihomed host).
3) С точки зрения Интернет несколько локальных сетей LAN, соединяемых через транспондер или мост, принадлежат одной сети, поэтому у них один сетевой адрес (net-id).
4) С точки зрения IP-адреса все сети, которым присвоены сетевые адреса (net-ids), равнозначны, вне зависимости от того, какая сеть – небольшая LAN или крупная WAN.
Для размещения (инкапсуляции) IP-дейтаграмм в сеть Ethernet в протоколе TCP/IP используется документ RFC 894 .Инкапсуляция IP-дейтаграмм в сетях стандарта IEEE 802 также определена в RFC . Часть документов RFC, описывающая требования к терминалу, определяет подключение узла к сети Интернет кабелем к Ethernet 10Mбит/с:
- терминал должен «уметь» передавать и принимать пакеты в форме инкапсуляции RFC 894 (Ethernet);
- терминал должен уметь принимать пакеты в смешанной форме инкапсуляции RFC 894 и RFC 1042 (IEEE 802);
- терминал также может передавать пакеты в форме инкапсуляции RFC 1042. Если хост передает пакетные данные обоих типов одновременно, передаваемые пакеты должны конфигурироваться (как RFC 894 по умолчанию).
Чаще всего используется форма инкапсуляции RFC 894. На рисунке 4.34 изображены две различные формы инкапсуляции данных. Цифры ниже каждого блока указывают его длину в байтах.
Адрес получателя и адрес источника обоих форматов содержат по 48 бит (6 байт) (802.3 разрешает использование 16-битового адреса, но, как правило, адрес содержит 48 бит). Данный адрес является физическим адресом аппаратного обеспечения хоста, о котором упоминается далее. Протоколы ARP и RARP осуществляют отображение 32-битовых Интернет - адресов на 48-битовые адреса аппаратного обеспечения станций.
Следующие два байта отличаются в зависимости от того, какой из двух форматов имеет кадр. В формате 802 стандарта данное поле является полем длины кадра и указывает длину в байтах, занимаемую последующими данными до поля контрольного кода CRC. Соответствующее поле кадра Ethernet – поле типа данных – указывает тип последующих данных кадра.


Обозначения:

destination address – адрес получателя; origin address – адрес источника;

type – тип; data – данные; datagram – датаграмма или дейтаграмма; request/response – запрос/ответ

Рисунок 4.34 Формы инкапсуляции данных IEEE 802.2/802.3 (RFC 1042) и Ethernet (RFC 894)

В формате кадра IEEE 802 тип задается в последующем поле протокола доступа к подсети (SNAP).

Значение длины поля данных, определенное стандартом IEEE 802 отличается от Ethernet –таким образом, происходит различение обоих форматов.

В формате кадра Ethernet поле данных начинается сразу после поля типа данных. Что касается формата 802, согласно стандарта 802.2 за полем длины кадра вводится 3-байтовый кадр уровня LLC(управления логическим каналом), содержащий информацию логического управления каналом, и 5-байтовое поле SNAP. Значения полей точки доступа к сервису для получателя (DSAP) и отправителя (SSAP) задаются равными 0xaa. Значение поля управления cntl устанавливается равным 3. Следующие 3 байта Org code задаются как 0. Следующее 2-хбайтовое поле типа совпадает с соответствующим полем кадра формата Ethernet. Поле CRC используется для передачи циклического избыточного кода, т.е. контрольной суммы ошибок байтов внутри кадра (другое название FCS - контрольная последовательность кадров).
Оба стандарта - IEEE 802.3 и Ethernet - устанавливают минимальную длину кадров. Поле полезной информации кадра по стандарту 802.3 может содержать минимум 38 байт; стандарт Ethernet предусматривает минимум 46 байт. В целях соответствия данному требованию используется поле заполнения, дополняющее кадр до минимально допустимой длины.

Объединению сети Ethernet и протоколов IP в стандарт способствовал альянса производителей оборудования первой мили Ethernet (более 20 производителей) - EFMA, Ethernet in the First Mile Alliance. Альянс ставит перед собой задачу поддержать стандарт IEEE802.3ah Task Force, обеспечив при этом продвижение продуктов и спецификаций, совмещение решений разных производителей.

Преобразование трафика в протоколы IP , ATM или SDH для передачи в сеть поставщика услуг имеет высокую стоимость решения, снижает скорость и эффективность. В предлагаемом варианте стандарта EFM сохраняется формат Ethernet, что удешевляет оборудование. Структура доступа этого вида приведена на рисунке 4.35. Её реализация возможна в медном и оптическом кабелях (сравните с рисунком 4.26)[100].

Рисунок 4.35 Сеть Ethernet по определению EFM

Что предусмотрено современной концепцией использования IP- Ethernet для доступа?

Наличие интерфейсов оптической передачи на большие расстояния (до 90 км).

Полная совместимость с существующими сетями Ethernet.

Масштабируемость, т.е. обеспечение развития сетей как в доступе так и в магистрали.

Высокая скорость передачи (до 10Гбит/с).

Высокая надёжность за счёт резервирования и автоматического переключения.

Простота, относительно низкая стоимость и эффективность. Что особенно важно, когда определяющим моментом развития сетей будет увеличение доли видеоконтента в общем трафике данных. Технологии построения сетей будут определяться сервисами, такими, как «видео по требованию» и «цифровое телевидение».

Поддержка новейших разработок для обеспечения услуг в соответствии с показателями качества QoS таких как DiffServ и MPLS.


назад | оглавление | вперёд