Что происходит в процессе инкапсуляции на канальном уровне на компьютере подключенном к сети

Обновлено: 06.07.2024

Для наглядности процесс работы сети в эталонной модели OSI разделен на семь уровней. Эта теоретическая конструкция облегчает изучение и понимание довольно сложных концепций. В верхней части модели OSI располагается приложение, которому нужен доступ к ресурсам сети, в нижней — сама сетевая среда. По мере того как данные продвигаются от уровня к уровню вниз, действующие на этих уровнях протоколы постепенно подготавливают их для передачи по сети. Добравшись до целевой системы, данные продвигаются по уровням вверх, причем те же протоколы выполняют те же действия, только в обратном порядке. В 1983 г. Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) и Сектор стандартизации телекоммуникаций Международного телекоммуникационного союза (Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union, ITU-T) опубликовали документ «The Basic Reference Model for Open Systems Interconnection», где была описана модель распределения сетевых функций между 7 различными уровнями (рис. 1.7). Предполагалось, что эта семиуровневая структура станет основой для нового стека протоколов, но в коммерческой форме он так и не был реализован. Вместо этого модель OSI используется с существующими стеками протоколов в качестве обучающего и справочного пособия. Большая часть популярных в наши дни протоколов появилась до разработки модели OSI, поэтому в точности с ее семиуровневой струк турой они не согласуются. Зачастую в одном протоколе совмещены функции двух или даже нескольких уровней модели, да и границы протоколов часто не соответствуют границам уровней OSI. Тем не менее модель OSI остается отличным наглядным пособием для исследования сетевых процессов, и профессионалы часто связывают функции и протоколы с определенными уровнями.

По сути, взаимодействие протоколов, работающих на разных уровнях модели OSI, проявляется в том, что каждый протокол добавляет заголовок (header) или (в одном случае) трейлер (footer) к информации, которую он получил от уровня, расположенного выше. Например, приложение генерирует запрос к сетевому ресурсу. Этот запрос продвигается по стеку протоколов вниз. Когда он достигает транспортного уровня, протоколы этого уровня добавляют к запросу собственный заголовок, состоящий из полей с информацией, специфической для функций данного протокола. Сам исходный запрос становится для протокола транспортного уровня полем данных (полезной нагрузкой). Добавив свой заголовок, протокол транспортного уровня передает запрос сетевому уровню. Протокол сетевого уровня добавляет к заголовку протокола транспортного уровня свой собственный заголовок. Таким образом, для протокола сетевого уровня полезной нагрузкой становятся исходный запрос и заголовок протокола транспортного уровня. Вся эта конструкция становится полезной нагрузкой для протокола канального уровня, который добавляет к ней заголовок и трейлер. Итогом этой деятельности является пакет (packet), готовый для передачи по сети. Когда пакет достигает места назначения, процесс повторяется в обратном порядке. Протокол каждого следующего уровня стека (теперь снизу вверх) обрабатывает и удаляет заголовок эквивалентного протокола передающей системы. Когда процесс завершен, исходный запрос достигает приложения которому он предназначен, в том же виде, в каком он был сгенерирован. Процесс добавления заголовков к запросу (рис. 1.8), сгенериро ванному приложением, называется инкапсуляцией данных (data encapsulation). По сути эта процедура напоминает процесс подготовки письма для отправки по почте. Запрос — это само письмо, а добавление заголовков аналогично вкладыванию письма в конверт, написанию адреса, штемпелеванию и собственно отправке.

Протокол канального (data-link) уровня обеспечивает обмен информацией между аппаратной частью включенного в сеть компьютера и сетевым ПО. Он подготавливает для отправки в сеть данные, переданные ему протоколом сетевого уровня, и передает на сетевой уровень данные, полученные системой из сети. При проектировании и создании ЛВС используемый протокол канального уровня — самый важный фактор для выбора оборудования и способа его установки. Для реализации протокола канального уровня необходимо следующее аппаратное и программное обеспечение: • адаптеры сетевого интерфейса (если адаптер представляет собой отдельное устройство, подключаемое к шине, его называют платой сетевого интерфейса или просто сетевой платой); • драйверы сетевого адаптера; • сетевые кабели (или другая сетевая среда) и вспомогательное со единительное оборудование; • сетевые концентраторы (в некоторых случаях). Как сетевые адаптеры, так и концентраторы разрабатываются для определенных протоколов канального уровня. Некоторые сетевые кабели также приспособлены для конкретных протоколов, но есть и кабели, подходящие для разных протоколов. Безусловно, сегодня (как и всегда) самый популярный протокол канального уровня — Ethernet. Далеко отстал от него Token Ring, за которым следуют другие протоколы, например, FDDI (Fiber Distributed Data Interface). В спецификацию протокола канального уровня обычно включаются три основных элемента: • формат кадра (т. е. заголовок и трейлер, добавляемые к данным сетевого уровня перед передачей в сеть); • механизм контроля доступа к сетевой среде; • одна или несколько спецификаций физического уровня, применяемые с данным протоколом.

Протокол канального уровня добавляет к данным, полученным от протокола сетевого уровня, заголовок и трейлер, превращая их в кадр (frame) (рис. 1.9). Если снова прибегнуть к аналогии с почтой, заголовок и трейлер — это конверт для отправки письма. В них содержатся адреса системы-отправителя и системы-получателя пакета. Для протоколов ЛВС, подобных Ethernet и Token Ring, эти адреса представляют собой 6-байтные шестнадцатеричные строки, присвоенные сетевым адаптерам на заводе-изготовителе. Они, в отличие от адресов, используемых на других уровнях модели OSI, называются аппа ратными адресами (hardware address) или МАС-адресами (см. ниже).

Примечание Протоколы различных уровней модели OSI по-разному называют структуры, создаваемые ими путем добавления заголовка к данным, пришедшим от вышестоящего протокола. Например, то, что протокол канального уровня называет кадром, для сетевого уровня будет дейтаграммой. Более общим названием для структурной единицы данных на любом уровне является пакет.

Важно понимать, что протоколы канального уровня обеспечивают связь только между компьютерами одной и той же ЛВС. Аппаратный адрес в заголовке всегда принадлежит компьютеру в той же ЛВС, даже если целевая система находится в другой сети. Другие важные функции кадра канального уровня — идентификация протокола сетевого уровня, сгенерировавшего данные в пакете, и информация для обнаружения ошибок. На сетевом уровне могут использоваться различные протоколы, и потому в кадр протокола канального уровня обычно включается код, с помощью которого можно установить, какой именно протокол сетевого уровня сгенерировал данные в этом пакете. Руководствуясь этим кодом, протокол канального уровня компьютера-получателя пересылает данные соответствующему протоколу своего сетевого уровня. Для выявления ошибок передающая система вычисляет цикличес кий избыточный код (cyclical redundancy check, CRC) полезной нагрузки и записывает его в трейлер кадра. Получив пакет, целевой компьютер выполняет те же вычисления и сравнивает результат с содержимым трейлера. Если результаты совпадают, информация передана без ошибок. В противном случае получатель предполагает, что пакет ис порчен, и не принимает его.

Компьютеры в ЛВС обычно используют общую полудуплексную сетевую среду. При этом вполне возможно, что передавать данные начнут одновременно два компьютера. В таких случаях происходит своего рода столкновение пакетов, коллизия (collision), при котором дан ные в обоих пакетах теряются. Одна из главных функций протокола канального уровня — управление доступом к сетевой среде (media access control, MAC), т. е. контроль за передачей данных каждым из компьютеров и сведение к минимуму случаев столкновения пакетов. Механизм управления доступом к среде — одна из важнейших ха рактеристик протокола канального уровня. В Ethernet для управления доступом к среде используется механизм с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD). В некоторых других протоколах, например, в Token Ring, используется передача маркера (token passing).

Протоколы канального уровня, используемые в ЛВС, часто поддерживают более одной сетевой среды, и в стандарт протокола включены одна или несколько спецификаций физического уровня. Канальный и физический уровни тесно связаны, т. к. свойства сетевой среды существенно влияют на то, как протокол управляет доступом к среде. Поэтому можно сказать, что в локальных сетях протоколы канального уровня осуществляют также функции физического уровня. В глобальных сетях используются протоколы канального уровня, в которые информация физического уровня не включается, например, SLIP (Serial Line Internet Protocol) и РРР (Point-to-Point Protocol).

На первый взгляд может показаться, что сетевой (network) уровень дублирует некоторые функции канального уровня. Но это не так: протоколы сетевого уровня «отвечают» за сквозные (end-to-end) связи, тогда как протоколы канального уровня функционируют только в пределах ЛВС. Иными словами, протоколы сетевого уровня полностью обеспечивают передачу пакета от исходной до целевой системы. В зависимости от типа сети, отправитель и получатель могут находиться в одной ЛВС, в различных ЛВС в пределах одного здания или в ЛВС, разделенных тысячами километров. Например, когда Вы связываетесь с сервером в Интернете, на пути к нему пакеты, созданные Вашим компьютером, проходят через десятки сетей. Подстраиваясь под эти сети, протокол канального уровня неоднократно изменится, но протокол сетевого уровня на всем пути останется тем же самым. Краеугольным камнем набора протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) и наиболее часто используемым протоколом сетевого уровня является протокол IP (Internet Protocol). У Novell NetWare есть собственный сетевой протокол IPX (Internetwork Packet Exchange), а в небольших сетях Microsoft Windows обычно используется протокол NetBEUI (NetBIOS Enhanced User Interface). Большинство функций, приписываемых сетевому уровню, определяются возможностями протокола IP. Подобно протоколу канального уровня, протокол сетевого уровня добавляет заголовок к данным, которые он получил от вышестоящего уровня (рис. 1.10). Элемент данных, созданный протоколом сетевого уровня, состоит из данных транспортного уровня и заголовка сетевого уровня и называется дейтаграммой (datagram).

Заголовок протокола сетевого уровня, как и заголовок протокола канального уровня, содержит поля с адресами исходной и целевой систем. Однако в данном случае адрес целевой системы принадлежит конечному назначению пакета и может отличаться от адреса получателя в заголовке протокола канального уровня. Например, когда Вы вводите в адресной строке браузера адрес Web-узла, в пакете, сгенерированном Вашим компьютером, в качестве адреса целевой системы сетевого уровня указан адрес Web-сервера, тогда как на канальном уровне на целевую систему указывает адрес маршрутизатора в Вашей ЛВС, обеспечивающего выход в Интернет. В IP используется собственная система адресации, которая совершенно не зависит от адресов канального уровня. Каждому компьютеру в сети с протоколом IP вручную или автоматически назначается 32-битовый IP- адрес, идентифицирующий как сам компьютер, так и сеть, в которой он находится. В IPX же для идентификации самого компьютера используется аппаратный адрес, кроме того, специальный адрес используется для идентификации сети, в которой находится компьютер. В NetBEUI компьютеры различаются по NetBIOS-именам, присваиваемым каждой системе во время ее установки.

Дейтаграммам сетевого уровня на пути к месту назначения приходится проходить через множество сетей, сталкиваясь при этом со специ фическими свойствами и ограничениями различных протоколов канального уровня. Одно из таких ограничений — максимальный размер пакета, разрешенный протоколом. Например, размер кадра Token Ring может достигать 4500 байт, тогда как размер кадров Ethernet не может превышать 1500 байтов. Когда большая дейтаграмма, сформированная в сети Token Ring, передается в сеть Ethernet, протокол сетевого уровня должен разбить ее на несколько фрагментов размером не более 1500 байт. Этот процесс называется фрагментацией (frag mentation). В процессе фрагментации протокол сетевого уровня разбивает дейтаграмму на фрагменты, размер которых соответствует возможностям используемого протокола канального уровня. Каждый фрагмент становится самостоятельным пакетом и продолжает путь к целевой системе сетевого уровня. Исходная дейтаграмма формируется лишь после того, как места назначения достигнут все фрагменты. Иногда на пути к целевой системе фрагменты, на которые разбита дейтаграмма, приходится фрагментировать повторно.

Маршрутизацией (routing) называется процесс выбора в интерсети самого эффективного маршрута для передачи дейтаграмм от системы-отправителя к системе-получателю. В сложных интерсетях, например, в Интернете или больших корпоративных сетях, часто от одного компьютера к другому можно добраться несколькими путями. Проектировщики сетей специально создают избыточные связи, чтобы трафик нашел дорогу к месту назначения даже в случае сбоя одно го из маршрутизаторов. С помощью маршрутизаторов соединяют отдельные ЛВС, входящие в интерсеть. Назначение маршрутизатора — принимать входящий трафик от одной сети и передавать его конкретной системе в другой. В интерсетях различают системы двух видов: оконечные (end systems) и промежуточные (intermediate systems). Оконечные системы являются отправителями и получателями пакетов. Маршрутизатор — промежуточная система. В оконечных системах используются все семь уровней модели OSI, тогда как пакеты, поступающие в промежуточные системы, не поднимаются выше сетевого уровня. Там маршрутизатор обрабатывает пакет и отправляет его вниз по стеку для передачи следующей целевой системе (рис. 1.11).

Идентификация протокола транспортного уровня

Так же, как в заголовке канального уровня указан протокол сетевого уровня, сгенерировавший и передавший данные, в заголовке сетевого уровня содержится информация о протоколе транспортного уровня, от которого эти данные были получены. В соответствии с этой информацией система-получатель передает входящие дейтаграммы соответствующему протоколу транспортного уровня.

Примечание Ориентированные и не ориентированные на соединение протоколы есть не только на транспортном уровне. Например, протоколы сетевого уровня обычно не ориентированы на соединение, по скольку обеспечение надежности связи они возлагают на транспортный уровень.

Прикладной уровень — это точка входа, через которую программы получают доступ к модели OSI и сетевым ресурсам. Большинство про токолов прикладного уровня предоставляет службы доступа к сети. Например, протоколом SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) большинство программ электронной почты пользуется для отправки сообщений. Другие протоколы прикладного уровня, например, FTP (File Transfer Protocol), сами являются программами. В протоколы прикладного уровня часто включают функции сеансового и представительского уровня. В результате типичный стек протоколов содержит четыре отдельных протокола, которые работают на прикладном, транспортном, сетевом и канальном уровнях.

Инкапсуляция – это процесс передачи данных с верхнего уровня приложений вниз (по стеку протоколов) к физическому уровню, чтобы быть переданными по сетевой физической среде (витая пара, оптическое волокно, Wi-Fi, и др.). Причём на каждом уровне различные протоколы добавляют к передающимся данным свою информацию.

Напомню, что сетевая модель OSI состоит из 7 уровней (уровень приложений, уровень представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический). Все сетевые устройства работают согласно модели OSI, только некоторые используют все 7 уровней, а другие меньше. Это позволяет обрабатывать поступающие данные в несколько раз быстрее.

Например, Ваш компьютер использует все 7 уровней, маршрутизатор – 3 нижних уровня, коммутатор – только 2 нижних уровня.

На рисунке Вы видите взаимодействие двух компьютеров, между которыми находится маршрутизатор. Компьютерами PC1 и PC2 могут быть как домашние компьютеры, так и сервера. Маршрутизатор, как и говорилось выше, работает только на трех уровнях модели, их (трех уровней) достаточно, чтобы проложить маршрут в любой сети.

Теперь перейдем к самому процессу инкапсуляции, декапсуляции.

Инкапсуляция и декапсуляция

Эти данные опускаются с уровня приложений, на уровень представления данных.

На этом уровне Ваш компьютер преобразует строку введенного текста (адреса) в формат удобный для передачи далее на нижний уровень.

Далее данные (уже не текст) поступают на сеансовый уровень, но на нём (в данном случае) нам нет необходимости использовать протоколы (этого уровня), и поэтому данные передаются далее.

Транспортный уровень получает данные и определяет, что дальше они должны быть переданы используя протокол TCP. Перед передачей транспортный уровень разбивает данные на кусочки данных и добавляет к каждому кусочку заголовок, в котором содержится информация о логических портах компьютеров (с какого данные были посланы (например 1223) и для какого предназначаются (в данном случае 80)). На транспортном уровне эти кусочки данных с заголовком называются сегментами. Сегменты передаются дальше вниз к сетевому уровню.

Сетевой уровень, получая каждый сегмент, разделяет его на еще более маленькие части и к каждой части добавляет свой заголовок. В заголовке сетевого уровня указываются логические сетевые адреса отправителя (Ваш компьютер) и получателя (Сервер).

Логические сетевые адреса – это всем известные IP-адреса, еще наверное непонятно что обозначают цифры и точки в них, но вскоре, этот пробел в знаниях заполнит соответствующая информация ;)

Эти маленькие кусочки данных уже с несколькими заголовками (на верхних уровнях тоже добавляются специфичные заголовки) на сетевом уровне называются пакетами, которые в свою очередь передаются на канальный уровень.

На канальном уровне пакеты разделяются на еще более маленькие кусочки данных, и к ним помимо опять добавляемого заголовка, только уже канального уровня, добавляется еще и трейлер. На этом уровне в заголовках содержатся физические адреса устройств – передающего и для кого они предназначаются, а в трейлере находится вычисленная контрольная сумма, некий код (информация), который используется для определения целостности данных.

Эти очень маленькие кусочки данных именуются кадрами или фреймами (одно и тоже). Далее кадры передаются на физический уровень.

На физический уровень кадры передаются уже в виде сигналов битов и следуют через другие сетевые устройства в пункт назначения.

Весь процесс преобразования данных (с верхнего уровня) в сигналы (на нижний уровень) называется инкапсуляцией. Посмотрите на рисунок ниже, там представлена общая схема инкапсулирования с верхнего уровня на нижний:

Далее сигналы, проходя через несколько сетевых устройств (в нашем случае это маршрутизатор и коммутатор), доходят до получателя, в данном случае до сервера (По всем картинкам можно кликнуть и они увеличится).

Сетевая карта сервера принимает биты (на физическом уровне) и преобразует их в кадры (для канального уровня). Канальный уровень в обратной последовательности должен преобразовать кадры в пакеты (для сетевого уровня), только перед преобразованием уровень сначала смотрит на МАС-адрес (физический адрес) получателя, он должен совпадать с MAC-адресом сетевой карты, иначе кадр будет уничтожен. Затем канальный уровень (в случае совпадения MAC-адреса) высчитывает сумму полученных данных и сравнивает полученное значение со значением трейлера. Напомню, что значение трейлера высчитывалось на Вашем компьютере, а теперь оно, после передачи по проводам, сравнивается с полученным значением на сервере и если они совпадают, кадр преобразуется в пакет. Если проверочный код целостности данных рознится – кадр незамедлительно уничтожается.

На сетевом уровне происходит проверка логического адреса (IP-адреса), в случае успешной проверки пакет преобразуется в сегмент, попадая на транспортный уровень.

На транспортном уровне проверяется информация из заголовка, что это за сегмент, какой используется протокол, для какого логического порта предназначается и т.п. Протокол использовался TCP, поэтому назад на Ваш компьютер посылается уведомление о прибытии сегмента. Как говорилось выше (когда данные упаковывали в сегмент) в том случае использовался 80 порт назначения. Т.к. на веб-сервере как раз открыт этот порт, данные передаются дальше на верхний уровень.

На верхних уровнях запрос (введенный адрес сайта) обрабатывается веб-сервером (проверяется, доступна-ли запрашиваемая веб-страничка).

Этот процесс преобразования сигналов из провода в данные называется процессом декапсуляции.

После того, как страница будет найдена на сервере, она (текст, изображения, музыка) преобразуется в цифровой код, удобный для инкапсулирования. Большой объём данных делится на части и поступает ниже на уровень – транспортный. Там кусочек данных преобразуется в сегмент, только порт назначения теперь будет тот, с которого вы посылали (вспоминайте, 1223). Сегмент преобразуется в пакет, в заголовке которого содержится IP-адрес вашего компьютера и переходит ниже. На канальном уровне пакет в свою очередь преобразуется в кадры и добавляется заголовок и трейлер. В заголовок помещается МАС-адрес назначения (в данном случае это будет адрес шлюза), а в трейлер проверочный код на целостность данных. Далее сетевая карта посылает кадры в виде сигналов по кабелю по направлению к Вашему компьютеру.

Так и происходит сетевой обмен данными, инкапсуляция и декапсуляция.

Вам обязательно надо запомнить, что те кусочки данных (вместе с заголовками), которые переходят с уровня на уровень (с добавлением заголовков или наоборот) называются Protocol Data Unit или PDU. Если перевести литературно на русский язык, то получается фрагмент данных на каждом уровне модели. В первой части CCNA попадаются вопросы связанные с PDU, так что обязательно запомните что это такое ;)

Заключение

Вы познакомились с эталонными сетевыми моделями OSI, TCP/IP (DOD), разобрались с процессами инкапсуляции (encapsulation) и декапсуляции (decapsulation).

Также узнали, что разные сетевые устройства работают на разных уровнях. А вот какие сетевые устройства существуют и чем они отличаются узнаем в следующей статье.

1.16 Принцип инкапсуляции данных, фрагментации и декапсуляции в моделях TCP/IP и OSI 7

Перед началом я хотел бы вам напомнить, что ознакомиться с опубликованными материалами первой части нашего курса можно по ссылке: «Основы взаимодействия в компьютерных сетях».

1.16.1 Введение

Эта тема подводит итог четырем предыдущим и объединяет их воедино, ранее мы разбирались с моделями передачи данных: сначала мы рассмотрели семуровневую модель передачи данных OSI 7, а затем модель стека протоколов TCP/IP, а до этого мы узнали в чем польза от декомпозиции задачи сетевого взаимодействия и в чем разница между протоколами и службами. Мы очень подробно рассмотрели процессы, происходящие на различных уровнях моделей, перечислили устройства и протоколы, которые выполняют функции того или иного уровня, но мы практически не разбирались с тем, что происходит с данными, когда они переходят с одного уровня на другой.

И на самом деле, процесс передачи данных с одного уровня на другой очень важен для понимания принципов работы сетевых устройств, компьютерных сетей и протоколов, так как вся суть работы протоколов заключена в заголовках, которые добавляются или убираются в зависимости от того, с какого уровня на какой переходят данные. Процесс добавления заголовка поверх существующего называется инкапсуляция данных, это когда данные движутся с более высокого уровня вниз (то есть при подготовке данных к передаче), процесс снятия заголовка называется декапсуляция данных, это когда данные движутся снизу вверх, то есть при приеме.

1.16.2 Принцип инкапсуляции данных в компьютерной сети

Принцип инкапсуляции данных для модели стека протоколов TCP/IP показан ниже на Рисунке 1.16.1.

Рисунок 1.16.1 Принцип инкапсуляции данных в модели стека протоколов TCP/IP

Далее пакеты спустятся на канальный уровень, для канального уровня данными уже являются пакеты. На канальном уровне поверх заголовка сетевого уровня будет добавлен заголовок канального уровня, но, кроме того, после того, как будет добавлен заголовок, клиентский компьютер посчитает контрольную сумму получившейся конструкции и запишет ее после пользовательских данных, чтобы принимающее устройство смогло проверить: а не повредились ли данные при передаче по сети. Вся конструкция целиком называется кадром. Сетевые карты компьютеров и коммутаторы для передачи данных пользуются заголовками канального уровня.

Мы рассмотрели инкапсуляцию данных в модели TCP/IP, если говорить про модель OSI 7, то здесь будет несколько незначительных отличий, о которых мы уже говорили выше, основной принцип останется тем же.

1.16.3 Декапсуляция данных

Давайте теперь посмотрим, что будет происходить на принимающей стороне, то есть разберемся с принципом декапсуляции данных в моделях TCP/IP и OSI 7. Декапсуляция данных – это процесс обратный инкапсуляции, если при подготовке данных к передаче мы их запаковывали, то на принимающей стороне мы их будем распаковывать, если все понятно, то можете пропустить раздел этот раздел, если нет, то давайте разбираться. Декапсуляция данных показана на Рисунке 1.16.2.

Рисунок 1.16.2 Принцип декапсуляции данных в модели стека протоколов TCP/IP

Компьютер Васи понимает, что пользователь не сможет самостоятельно разобраться с кадрами и понять, что в них находится, кроме того, компьютер Васи может быть транзитным устройством, то есть передавать данные дальше, ему нужно убедиться, что эти данные действительно для него, чтобы в этом убедиться, ему нужно убрать заголовок канального уровня и контрольную сумму и заглянуть в заголовок сетевого уровня, в заголовке сетевого уровня находятся логические адреса, которые однозначно идентифицируют узел в компьютерной сети. Принимающий компьютер проанализировал заголовок сетевого уровня и понял, что эти данные действительно для него и их нужно обрабатывать дальше, поэтому он снимает сетевой заголовок и видит заголовок транспортного уровня.

Рисунок 1.16.3 Инкапсуляция и декапсуляция данных в модели стека протоколов TCP/IP или процесс приема и передачи данных в компьютерной сети

Из рисунка видно, что при помощи протокола прикладного уровня общаются клиентские приложения, на транспортном уровне происходит взаимодействие двух компьютеров, как логических устройств, также у компьютеров есть сетевая библиотека, которая помогает ему принимать решения о том, что делать с полученными пакетами, а также у компьютера есть такое устройство, как сетевая карта, которая дает ему доступ к физическим ресурсам компьютерной сети, то есть позволяет подключаться к этой самой сети.

Как видите, ничего сложного в декапсусляции и инкапсуляции нет, это похоже на процесс запаковки и распаковки конфет: на заводе они запаковываются в фантики, а перед тем как их съесть, вы эти фантики разворачиваете.

1.16.4 Выводы

Давайте подведем итоги разговору о принципе инкапсуляции и декапсуляции данных, который реализован в моделях передачи данных TCP/IP и OSI 7, то есть этот принцип работает во всех компьютерных сетях, как в самых маленьких, так и в самых больших, вне зависимости от типа сетевого трафика, передаваемого по компьютерной сети.

С сетевого уровня пакеты попадают на канальный уровень и к ним добавляются соответствующие заголовки, после чего они становятся кадрами. Канальный уровень дает доступ нашему компьютеру к реальным ресурсам компьютерной сети, то есть определяет интерфейсы и технологии, по которым будет осуществляться передача данных от узла к узлу. А также на канальном уровне реализована функция проверки целостности данных.

После того, как кадр будет сформирован, компьютер превратит его в последовательность нулей и единиц и отправит эту последовательность по линии связи. Если говорить коротко, то принцип инкапсуляции и декапсуляции данных решает проблему изоляции и разграничения функционала между уровнями модели передачи данных, это всё возможно благодаря тому, что на каждом уровне данные оборачиваются в дополнительный заголовок, когда они готовятся к передаче, а на приемной стороне эти заголовки снимаются.

Формально IPv6 — это всего лишь новая версия IP, которая может свободно сосуществовать с IPv4 благодаря полю "версия" . Поэтому IPv6 не требует обязательных изменений в уже существующих протоколах канальной инкапсуляции IP, если только эти протоколы не содержат явных привязок к тем или иным аспектам IPv4.

Возьмем, к примеру, протокол SLIP [RFC 1055]: он уже был готов передавать пакеты IPv6, когда IPv6 еще не было и в помине. Более того, SLIP способен передавать вперемежку пакеты любых версий IP, так как приемник всегда может узнать версию IP данного пакета из первого полубайта в его заголовке.

Как мы помним, в SLIP тип инкапсулируемого протокола указывается неявно, по предварительному соглашению сторон. Поэтому канал SLIP без перенастройки сторон может передавать только один протокол сетевого уровня. Однако это не значит, что в кадр SLIP можно вложить только пакет IP: например, без малого 20 лет назад будущий автор этого курса на спор написал драйвер MS DOS, инкапсулирующий IPX в SLIP, и потом сыграл с друзьями-спорщиками немало партий в Doom по этому каналу, вполне отвечавшему модели OSI.

Между прочим, это неплохой аргумент в споре о том, являются ли IPv4 и IPv6 разными протоколами или же версиями одного протокола: если бы они были разными протоколами, то не смогли бы работать вместе по одному каналу SLIP, а значит, это версии одного протокола.

Ethernet

Еще один аспект инкапсуляции IP в Ethernet — это разрешение групповых адресов. Наивным решением было бы привлечь для этой цели ARP или аналогичный механизм, когда источник группового пакета сначала спрашивал бы, кто состоит в данной группе, и узнавал бы таким способом адреса MAC 48 ее членов. Однако на поверку это решение никуда не годится, потому что групповое вещание — основа для автоматического обнаружения сетевых ресурсов. Необходимость ARP в данном случае будет означать обнаружение с целью обнаружения — верный путь к "проблеме курицы и яйца", когда узлу надо послать пакет, чтобы запросить недостающие сведения, а эти сведения нужны, чтобы послать пакет. Поэтому давайте выдвинем такое требование: пусть групповое вещание IP привлекает только локальные механизмы разрешения адреса. Источник группового пакета должен быть способен преобразовать групповой адрес назначения IP в отвечающий ему канальный адрес MAC 48 своими силами, не опрашивая другие узлы. Тогда исходящий групповой пакет можно будет передать на канальный уровень сразу же, опираясь только на информацию, которая уже содержится в нем.

Как мы помним, групповое вещание IPv4 вполне отвечало этому требованию, достигая разрешения групповых адресов простой подстановкой битов. А именно 23 младших бита группового адреса IPv4 помещались в соответствующие младшие биты группового адреса MAC 01-00-5E-00-00-00 [§6.4 RFC 1112]. Такое преобразование не было взаимно однозначным, поскольку в групповом адресе IPv4 переменные 28 бит . 5 4 старших бита фиксированы и составляют префикс 1110 класса D. В результате узел мог получить чужой групповой пакет, и поэтому он обязательно проверял адрес назначения: действительно ли он состоит в данной группе IP на данном интерфейсе?

Давайте оставим подобный механизм разрешения групповых адресов и в IPv6. Но, чтобы уменьшить вероятность конфликтов, мы расширим поле соответствия. Пусть из группового адреса IPv6 в групповой адрес MAC попадают 4 младших байта, то есть 32 бита. Тогда нам потребуется другой префикс MAC, длиной 16 бит. На эту роль назначен префикс 0x3333, отвечающий адресам от 33-33-00-00-00-00 до 33-33-FF-FF-FF-FF.

Убедитесь, что перед вами групповые адреса MAC.

Еще можно заметить, что это локальные, а не глобальные адреса MAC. В отличие от 01-00-5E, новый диапазон OUI 33-33-XX не пришлось покупать у IEEE.

"3333 Coyote Hill Road" — это был адрес Исследовательского центра Xerox в Пало-Альто, откуда появился Ethernet [§2.3.1 RFC 5342].

Обсудите недостатки использования в данном случае локальных адресов MAC. (Возможен конфликт с протоколами местного значения; однако фильтрация по адресам сетевого уровня предотвратит нежелательные последствия.)

Вот пример преобразования: групповым адресам IPv6 FF02::C001:DEAD:BEEF и FF0E::BA1D:DEAD:BEEF отвечает один и тот же групповой адрес MAC 48 33-33-DE-AD-BE-EF.

Хотя конфликты при разрешении групповых адресов почти безвредны и лишь слегка понижают эффективность работы сети, их вероятность можно понизить, ограничив диапазон значений идентификатора группы IPv6 на уровне политики, а не протокола. Так, [RFC 3307] требует придерживаться таких диапазонов:

общепринятые групповые адреса: 0x0000 0000–0x3FFF FFFF;
постоянно назначенные группы: 0x4000 0000–0x7FFF FFFF;
временно занятые адреса: 0x8000 0000–0xFFFF FFFF.

Разница между общепринятыми групповыми адресами и постоянно назначенными группами такова: общепринятые групповые адреса назначены в системных целях и нужны для работы протоколов стека IPv6, тогда как постоянно назначенные группы просто созданы для поддержки глобальных проектов, важных для всего Internet. Например, 0x0000 0001 ("все узлы") — это общепринятый групповой адрес, тогда как 0x4040 4040 (NTP) — всего лишь постоянно назначенная группа.

Как нетрудно видеть, ни одно предписанное значение не выходит за пределы 32 бит, так что конфликты при разрешении адресов оказываются исключены. Тем не менее, групповой слушатель IPv6 по-прежнему обязан фильтровать входящие пакеты, принимая только действительно адресованные его группам на данном интерфейсе.

Основное различие между Инкапсуляцией и Декапсуляцией заключается в том, что при Инкапсуляции данные перемещаются с верхнего уровня на нижний уровень, и каждый уровень включает в себя пакет информации, известный как заголовок, вместе с фактическими данными, тогда как при Декапсуляции данные перемещаются от нижнего уровня к верхнему уровню, и каждый уровень распаковывает соответствующие заголовки для получения фактических данных.

Содержание

Обзор и основные отличия
Что такое Инкапсуляция
Что такое Декапсуляция
Сходство между Инкапсуляцией и Декапсуляцией
В чем разница между Инкапсуляцией и Декапсуляцией
Заключение

Что такое Инкапсуляция?

Для стандартизации сетевого взаимодействия используются сетевые модели. При отправке данных из одного места в другое, данные проходят через несколько уровней. Модель TCP/IP имеет четыре уровня. Это прикладной уровень, транспортный уровень, интернет-уровень и уровень доступа к сети. Каждый уровень выполняет определенную роль в модели TCP/IP. Прикладной уровень имеет все службы конечного пользователя, такие как средства электронной почты, просмотр веб-страниц и другие. Транспортный уровень управляет связью между хостами. На сетевом уровне данные называются как пакеты. Он предоставляет IP-адреса источнику и месту назначения, которые помогают идентифицировать местоположение в сети. Каждое устройство в сети имеет IP-адрес. На уровне доступа к сети пакет называется кадром. На этом уровне пакет, полученный от интернет-уровня, получает MAC-адреса источника и места назначения. MAC-адрес является физическим адресом. В итоге, кадр отправляется по сети.

Инкапсуляция данных в протоколах TCP/IP

Предположим, что вы отправляете электронное письмо. Электронная почта создается на уровне приложения. Электронная почта должна проходить по уровням транспортного уровня, интернет-уровня и уровня сетевого доступа по порядку, используя разные протоколы, и выходит из компьютера, с помощью беспроводного или проводного сетевого интерфейса. Затем электронная почта проходит через сеть и приходит к месту назначения. Затем электронная почта переходит от уровня доступа к сети, Интернет-уровня и транспортного уровня на прикладной уровень по порядку.

Что такое Декапсуляция?

Как объяснено выше, в процессе инкапсуляции, кадр выходит из главного компьютера в сеть. Затем он достигает целевого хоста. В целевом хосте кадр декапсулируется в обратном порядке до прикладного уровня. Кадр, который достигает уровня доступа к сети, содержит данные, заголовок TCP/UDP, заголовок с IP-адресами и заголовок с MAC-адресами.

Когда он отправляется на сетевой уровень, он представляет собой пакет и содержит данные, заголовок TCP/UDP и заголовок с IP-адресом. Затем пакет достигает транспортного уровня. Теперь он сегментирован и содержит данные и заголовок TCP/UDP. Наконец, сегмент достигает прикладного уровня. На прикладном уровне хост может видеть данные, отправленные с исходного компьютера. Этот процесс называется как Декапсуляция.

Сходство между Инкапсуляцией и Декапсуляцией

Как инкапсуляция, так и декапсуляция связаны с тем, как данные передаются и принимаются через сеть в соответствии с сетевыми моделями.

В чем разница между Инкапсуляцией и Декапсуляцией?

Читайте также: