8. Коммутаторы Ethernet второго уровня
Коммутатор (свитч) - устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. Коммутатор работает на канальном (втором) уровне модели OSI. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.
В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю (исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети и трафик для устройств, для которых не известен исходящий порт коммутатора). Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.
Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу на некоторое время. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты, за исключением того порта, с которого он был получен. Со временем коммутатор строит таблицу для всех активных MAC-адресов, в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.
Коммутаторы координируют передачу путем коммутации матрицы. У них имеется внутренняя память, в которой формируется таблица MAC-адресов всех компьютеров.
Сетевой концентратор (хаб) — устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernet c применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время вытеснены сетевыми коммутаторами.
Концентратор работает на 1 (первом) — физическом уровне сетевой модели OSI, ретранслируя входящий сигнал с одного из портов в сигнал на все остальные (подключенные) порты, реализуя, таким образом, свойственную Ethernet топологиюобщая шина, с работой в режиме полудуплекса. Коллизии (т.е. попытка двух и более устройств начать передачу одновременно) обрабатываются аналогично сети Ethernet на других носителях - устройства самостоятельно прекращают передачу и возобновляют попытку через случайный промежуток времени. Сетевой концентратор также обеспечивает бесперебойную работу сети при отключении устройства от одного из портов или повреждении кабеля, в отличие, например, от сети на коаксиальном кабеле, которая в таком случае прекращает работу целиком.
9. Заголовок ip. Тип сервиса
IPv4
В современной сети Интернетиспользуется IP четвёртой версии, также известный как IPv4. В протоколе IP этой версии каждому узлу сети ставится в соответствиеIP-адресдлиной 4октета(4байта). При этом компьютеры вподсетяхобъединяются общими начальнымибитамиадреса. Количество этих бит, общее для данной подсети, называетсямаской подсети(ранее использовалось деление пространства адресов поклассам— A, B, C; класс сети определялся диапазоном значений старшего октета и определял число адресуемых узлов в данной сети, сейчас используетсябесклассовая адресация).
Удобной формой записи IP-адреса(IPv4) является запись в виде четырёхдесятичных чисел(от 0 до 255), разделённых точками, например,192.168.0.1. (или128.10.2.30— традиционная десятичная форма представления адреса)
Заголовок IP
IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Заголовок имеет переменную длину от 20 до 60 байт с шагом в 4 байта. Полезная нагрузка также может иметь переменную длину – от 8 до 65515 байт.
Структура IP-заголовка (v.4):
Версия– 4 бита
Длина заголовка– 4 бита (IHL (InternetHeaderLength) длина заголовкаIP-пакета в 32-битных словах.Именно это поле указывает на начало блока данных (англ. payload — полезный груз) в пакете. Минимальное корректное значение для этого поля равно 5)
Тип сервиса (обслуживания)(TOS)– 1 байт (8 бит) –
1-3 биты это приоритет (по умолчанию 0 – 000, самый высокий 7 - 111),
4 бит – задержка (0 – нормальная, 1 - низкая),
5 бит – пропускная способность (0 – нормальная, 1 - высокая),
6 бит – поле надежности (0 – нормальная, 1 - высокая),
7 бит – денежные издержки (0 – нормальные, 1 - низкие),
8 бит – зарезервирован – нулевой
Суммарная длина– 2 байта – общая длина пакета (IP-дейтограммы), т.е. заголовок + полезная нагрузка. Длина полезной нагрузки = суммарная длина – 4*длина заголовка. Длина пакета воктетах(байтах), включая заголовок и данные. Минимальное корректное значение для этого поля равно 20, максимальное — 65 535 байт.
Номер (идентификатор) пакета– 2 байта - используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.Идентификатор — значение, назначаемое отправителем пакета и предназначенное для определения корректной последовательности фрагментов при сборке пакета. Для фрагментированного пакета все фрагменты имеют одинаковый идентификатор.
Поле флагов– 3 бита –
1 бит – зарезервирован – нулевой
2 бит – не фрагментировать (Don’t Fragment - DF) – устанавливается в 0, если фрагментация разрешена, в 1 – если запрещена
3 бит – есть ли еще фрагменты (More Fragments - MF) – устанавливается в 0, если больше нет фрагментов, следующих за текущим, в 1 – если данный фрагмент не последний и есть еще.
3 бита флагов. Первый бит должен быть всегда равен нулю, второй бит DF (don’t fragment) определяет возможность фрагментации пакета и третий бит MF (more fragments) показывает, не является ли этот пакет последним в цепочке пакетов
Смещение фрагмента– 13 бит - задает смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами MTU. Смещение должно быть кратно 8 байт.Смещение фрагмента — значение, определяющее позицию фрагмента в потоке данных. Смещение задается количеством восьмибайтовых блоков, поэтому это значение требует умножения на 8 для перевода в байты.
Время жизни (TTL)– 1 байт - означает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи. На маршрутизаторах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается и в том случае, когда время задержки меньше секунды. Поскольку современные маршрутизаторы редко обрабатывают пакет дольше, чем за одну секунду, то время жизни можно считать равным максимальному числу узлов, которые разрешено пройти данному пакету до того, как он достигнет места назначения. Если параметр времени жизни станет нулевым до того, как пакет достигнет получателя, этот пакет будет уничтожен. Время жизни можно рассматривать как часовой механизм самоуничтожения. Значение этого поля изменяется при обработке заголовка IP-пакета.Время жизни (TTL) — число маршрутизаторов, которые может пройти этот пакет. При прохождении маршрутизатора это число уменьшатся на единицу. Если значения этого поля равно нулю то, пакет должен быть отброшен и отправителю пакета может быть послано сообщение Time Exceeded (ICMP тип 11 код 0).
Протокол верхнего уровня– 1 байт - один байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит информация, размещенная в поле данных пакета (например, это могут быть сегменты протокола TCP, дейтаграммы UDP, пакеты ICMP или OSPF).Протокол — идентификатор интернет-протокола следующего уровня указывает, данные какого протокола содержит пакет, например, TCP или ICMP (см. IANA protocol numbers и RFC 1700). В IPv6 называется «Next Header».
Контрольная сумма заголовка– 2 байта - рассчитывается только по заголовку. Поскольку некоторые поля заголовка меняют свое значение в процессе передачи пакета по сети (например, время жизни), контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается при каждой обработке IP-заголовка.
IP-адрес отправителя– 4 байта
IP-адрес получателя– 4 байта
MTU - В компьютерных сетяхтерминmaximum transmission unit (MTU) означает максимальный размер полезного блока данных одного пакета(англ.payload), который может быть передан протоколомбез фрагментации. Когда говорят об MTU обычно имеют в виду протокол канального уровнясетевой модели OSI. Однако, этот термин может применяться также для физического уровня (media mtu) и сетевого уровня (ip mtu). Термин MTU может быть и не связан с определённым уровнем модели: tunnel mtu, vlan mtu, routing mtu, mpls mtu…
Ограничение на максимальный размер кадра накладывается по нескольким причинам:
Для уменьшения времени на повторную передачу в случае потери или неисправимого искажения пакета. Вероятность потерь растёт с увеличением длины пакета.
Чтобы при полудуплексном режимеработы хост не занимал долгое время канал (также для этой цели используетсямежкадровый интервал(англ.Interframe gap)).
Чем больше отправляемый пакет, тем больше ожидание отправления других пакетов, особенно в последовательных интерфейсах. Поэтому маленький MTU был актуален во времена медленныхкоммутируемых соединений.
Малый размер и быстродействие сетевых буферов входящих и исходящих пакетов. Однако слишком большие буферы тоже ухудшают производительность.
Значение MTU определяется стандартом соответствующего протокола, но может быть переопределено автоматически для определённого потока (протоколом PMTUD) или вручную для нужного интерфейса. На некоторых интерфейсах MTU по умолчанию может быть установлено ниже максимально возможного. Значение MTU ограничено снизу как правило минимально допустимой длиной кадра.
Для высокопроизводительной сети причины, вызвавшие начальные ограничения MTU, устарели. В связи с этим для Ethernet был разработан стандарт Jumbo-кадровс увеличенным MTU.
Maximum Transmission Unit (MTU) используется для определения максимального размера блока (в байтах), который может быть передан на канальном уровне сетевой модели OSI.
IP-пакет — форматированный блок информации, передаваемый по компьютерной сети, структура которого определена протоколом IP. В отличие от них, соединения компьютерных сетей, которые не поддерживают IP-пакеты, такие как традиционные соединения типа «точка-точка» в телекоммуникациях, просто передают данные в виде последовательности байтов, символов или битов. При использовании пакетного форматирования сеть может передавать длинные сообщения более надежно и эффективно.