Протоколы сетевого уровня

Разработка протоколов сетевого уровня велась уже задолго до того, как была предложена архитектура OSI и приняты стандарты на сетевой сервис.

Для уточнения места различных протоколов этого уровня в эталонной модели OSI была разработана архитектура сетевого уровня (ISO 8648). Этот документ выделяет на сетевом уровне 3 подуровня. Предполагается, что услуги реальной подсистемы могут быть:

• идентичны стандартному сетевому сервису;

• полностью отличны от стандартного сетевого сервиса;

• отличны в одних функциях и идентичны в других.

В двух последних случаях для обеспечения стандартного сервиса необходимо реализовать определенный набор дополнительных функций.

На рисунке показаны протоколы трех сетевых подуровней.

1. Протоколы доступа к подсети(ПР₁) Эти протоколы жестко ориентированы на тип подсети: ЛВС, сеть с коммутацией пакетов, сеть с коммутацией каналов, двухточечная сеть.

2. Зависимыеот подсетейпротоколы конвергенции (ПР₂) Под конвергенцией понимается сведение разнообразных услуг подсетей к единому стандартному набору. Функции протокола ПР₂зависят от того, насколько сильно сервис конкретной подсети (обеспечиваемый уровнем 3_а, т.е. ПР₁) отличается от стандартного. Например, сервис ПР₁позволяет передавать данные по 128 байт, а стандартный сервис требует возможности передачи данных неограниченной длины. Тогда ПР₂должен включать функции сборки/разборки сервисных блоков данных с использованием метки конца.

3. Независимыеот подсетейпротоколы конвергенции Протокол ПР₃требуется, когда сеть состоит из нескольких сетей (подсетей) с отличными от стандартных услугами (см. рис.). В этом случае анализируются возможности всех подсетей и выбираются добавочные сетевые функции, ориентированные на выравнивание сервиса и доведение его до стандартного. Таким образом ПР₃– это протокол сглаживания различий между подсетями.

Протоколы сетевого уровня в сетях с коммутацией пакетов

В компьютерных сетях с коммутацией пакетов (КП) выделяют на сетевом уровне протоколы трех функциональных типов:

1. Протоколы обработки пакетов – определяют форматы пакетов и процедуры их обработки в абонентских и коммуникационных системах

2. Протоколы управления пакетами – содержат алгоритмы принятия решений о выборе маршрутов передачи пакетов, ограничения входной нагрузки, управления пакетами, задают состав служебной информации, которой обмениваются системы, и правила реакции на нее.

3. Протоколы передачи служебной информации – определяют форматы служебной информации и процедуры ее передачи.

Кроме такой классификации, в зависимости от типа взаимодействующих систем, выделяют следующие три сетевых протоколов (см. рис.):

1. Абонентский сетевой протокол (1)

2. Внутрисетевой протокол (2)

3. Межсетевой протокол (3).

Рекомендация х.25 мкктт

Это один из первых документов, разработанных с целью регламентации вопросов разработки трех нижних уровней (включая сетевой) для сетей с коммутацией пакетов.

Х.25 не содержит алгоритмов маршрутизации. Рекомендация является формальной спецификацией сопряжения DTE и DCE (см. рис.). Под DTEпонимается любое оконечное оборудование данных (ООД), аDCE– это аппаратура окончания канала данных (АКД). Стандарт является ассиметричным, т.к. определяется только одна сторона соединения между абонентами, осуществляемого через сеть.

Рекомендация Х.25 охватывает 3 протокольных уровня сопряжения DTE и DCE : физический, канальный и сетевой.

На физическом уровне рекомендуется интерфейс Х.21. Могут также применяться Х.21бис, RS-232-C, V.24.

На втором уровне используется подмножество LAPB протокола HDLC.

Пакет уровня 3 (сетевого) (см. рис.) транспортируется в информационном поле (I) кадра протокола HDLC, работающего в режиме LAPB.

Особенности пакетного уровня (протокола Х.25/3)

Протокол использует принцип виртуальных цепей (в Х.25 их называют логическими каналами). Логические каналы получаются путем мультиплексирования пакетов разных пользователей в одном физическом канале. В таком физическом канале может быть назначено до 4095 логических каналов. Номера логических каналов используются для идентификации подключаемого к сети DTE.

Рекомендация на уровень Х.25/3 обеспечивает 4 механизма для взаимодействия абонентов.

• Постоянная виртуальная цепьАналогична арендованной (выделенной) линии в телефонной сети. Здесь для начала работы не требуется выполнение каких-либо предварительных действий. Такой логический канал постоянно находится в состоянии готовности к передаче данных.

• Виртуальный вызовЭтот режим напоминает телефонный разговор с набором номера. На рисунке DTE с логическим номером 11 (LCN 11) посылает запрос на вызов в сеть. Пакет запроса проходит по сети к запрашиваемому DTE. Запрос пересылается к получателю ближайшим к нему DCE в виде пакета входящего вызова по логическому каналу 16 (LCN 16). После этого каждая связь между DTE будет идентифицироваться именно этими номерами логических каналов 11 и 16. Промежуточные узлы сети также вводят свою нумерацию логических каналов. После завершения обмена данными любой из ООД инициирует очистку логического канала. Формат пакета протокола Х.25/3 показан на рисунке. Минимальная длина пакета (не содержащего поля «Информация») составляет 3 байта.

• Дейтаграммы Это режим обслуживания без соединения. Дейтаграмма (содержащая данные) посылается в виде одиночного пакета адресату. Наиболее широко дейтаграммный режим используется в сети Интернет.

• Быстрый вызовПрименяется как средство обмена небольшими объемами пользовательских данных без установления логического канала. Реализуется в 2-х вариантах.a)Вызов с быстрым выбором Применяется схема виртуального вызова, только в пакетах «Запрос на вызов» и «Вызов принят» содержится до 128 байт пользовательских данных. Таким образом, это обмен данными на фазе установления соединения.b)Вызов с быстрым выбором и немедленной очисткой(см. рис.) Во многих приложениях требуется передать между рабочими станциями небольшое количество данных. Часто это взаимодействие типа «запрос – ответ». Например, посылается запрос к базе данных и направляется короткий ответ абоненту. Установление логического канала может оказаться в этом случае излишним. Поэтому для передачи запроса используется пакет «Запрос на вызов» с включенными в него пользовательскими данными (до 128 байт). Принимающее DTE распознает данный режим по признаку в пакете и отвечает пакетом «Запрос на очистку», включив в его состав до 128 байт ответных данных. Исходное DTE подтверждает очистку (без пользовательских данных).

Управление потоком

Применяются 2 механизма: окно передачи и приостановка передачи. Пакеты данных нумеруются по модулю 8 (допускается расширенный формат – по модулю 128), т.е. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 и т.д. Приемник пакетов следит за последовательными номерами P(S) принятых пакетов и указывает в поле P(R) ответных пакетов порядковый номер того пакета, который он ожидает (подразумевается, что все номера до этого им уже приняты правильно).

Окно передачи

Для регулирования потока данных применяетсямеханизм окон. Окно W – это количество пакетов, которое ООД может послать не получив на них подтверждения. В протоколе Х.25/3 рекомендуется W = 2, но администрация любой сети может сама устанавливать конкретные значения.

На рисунке показано начальное состояние DTE с W=3. Такая станция может передать без подтверждения максимум 3 пакета, т.е. пакеты с P(S)=0, P(S)=1 и P(S)=2. DCE следит за последовательностью номеров и может информировать DTE о следующем ожидаемом на приеме номере пакета P(R). Тем самым оно подтверждает получение всех пакетов с последовательными номерами до {P(R)-1} включительно. Такое управление относится только к сопряжению DTE/ DCE.

Положим, что в ответном от DCE пакете сообщен номер P(R)=2. Это означает, что подтверждаются два пакета. Окно сдвигается (см. рис.). Теперь DTE может продолжить передачу вплоть до P(S)=4.

Так как потоки данных идут в обе стороны сопряжения, то аналогичное управление потоком от DCE выполняет DTE.

Выше было рассмотрено локальное (на уровне сопряжения ООД/АКД) управление потоком. Кроме локального, механизм окна может использоваться и для управления потоком по виртуальному каналу. Если специальный служебный бит (D-бит) в пакете установлен в "1", это означает, что требуется подтверждение сквозной доставки пакета (из конца в конец, т.е. DTE — DTE).

Приостановка выдачи пакетов

В случае необходимости срочно приостановить выдачу пакетов партнером применяется дополнительный механизм управления потоком. Положим, что DCE хочет приостановить поток пакетов данных от DTE. Тогда оно выдает пакет «К приему не готов» (RNR) – Receive not Ready (см. рис.).

Номер P(R) в пакете подтверждает все пакеты до {P(R)-1} включительно.

Для возобновления приема выдается пакет «К приему готов» (RR) – Receive Ready. Такой пакет также содержит номер P(R).

Процедуры протокола Х.25/3

Передача данныхРазмер поля данных может составлять от 16 до 4096 байт.

Процедура сбросаИспользуется в случае ошибок в конкретном виртуальном канале. Инициируется пакетами «Запрос сброса» (Reset Request) или «Индикация сброса» (Reset Indication) от DTE или DCE. Виртуальный канал не разъединяется. Производится его инициализация. Счетчики пакетов на обоих концах устанавливаются в "0". Все пакеты находящиеся в пути аннулируются.

Процедура рестартаПрименяется в случае серьезных ошибок, затрагивающих весь интерфейс DTE / DCE. Разъединяются все виртуальные каналы между DTE и DCE. Далее надо все каналы устанавливать заново. Используются пакеты: «Запрос рестарта» (Restart Request) и «Индикация рестарта» (Restart Indication).

Передача срочных данныхПредусмотрена возможность передавать данные не соблюдая процедур управления потоком.

Для этого применяется пакет «Прерывание» (Interrupt). Максимальная длина данных в пакете — 32 байта. Этот пакет обходит все очереди в пути следования и принимается на другом конце, даже если ООД не принимает обычные данные. На каждый пакет (см. рис.) посылается подтверждение приема (Interrupt Confirmation). Передающее ООД не посылает следующий пакет «Прерывание» пока не получит подтверждение на предыдущий.

Необязательные услугиИх достаточно много. Среди них, например:

• Повторная передача пакетов(с помощью специального пакета «Reject» (Отказ). DTE может запросить передачу ей пакетов с указанного номера P(R) и всех следующих за ним).

• Переадресация вызова. Если вызываемое DTE неисправно или занято, то вызов пересылается сетью в другой DTE.

• Формирование замкнутой группы пользователей. Эти пользователи могут взаимодействовать только друг с другом. Можно, например, разрешить DTE давать исходящие вызовы без ограничений, но принимать входящие вызовы только от замкнутой группы пользователей.

• Реверсивная тарификация(просьба к сети возложить все расходы по оплате на вызываемого абонента) и т.д.