Как происходит передача пакетов в сети ethernet

Обновлено: 04.07.2024

Чаще пользователей интересуют сотовые сети. Второе поколение 2G существенно ускорило пакетную передачу данных. Ключом явилось использование технологии GPRS. Последующие стандарты, включая поколения 5G, считают исключительно надстройками. Сети предпочитают работать со структурированной информацией, добиваясь весомых преимуществ: повышение скорости, возможность коррекции ошибок, оптимизация логистики, постдоставка. Современный интернет – услуга сугубо пакетированная.

Пакет

Пакет – определённым образом сформированный объем данных, передаваемых сетью.

Почему использование упорядоченной структуры позволяет ускорить отправку? Информация будет передаваться небольшими порциями. Вместо частотной, временной коммутации каналов начинают применять пакетную. Аппаратура располагает большими возможностями автоматизации, оптимизации распределения ресурсов меж абонентами. Становится доступным назначить каждому устройству скорость, реализуя заявленные операторами тарифные планы.

Простейшее определение даёт журнал Наука и жизнь (№11, 2000):

Сервер нарезает сформированную информацию порциями оговорённой длины. Снабжает посылки заголовком. Порция называется пакетом.

Направление в сети интернете выбирает IP-маршрутизатор. Мобильной связью заведуют базовые вышки. Сменяющиеся поколения пакетной передачи заставляют провайдеров модернизировать оборудование. Относиться легкомысленно нельзя – клиенты заклюют. Так Билайн, имевший подавляющее преимущество, отдал ветку первенства МТС. Мегафон идёт вдогонку. Сегодня выигрывает правильно избравший дорогу.

Структура

Преамбулу, формат определяет протокол. Последовательный порт RS-232 предусматривает наличие стартовых битов. Заголовок иногда содержит адрес абонента, обязательно присутствует полезная информация, опционально – контрольная. Длина пакета (MTU), измеряемая байтами, строго фиксирована. Меж посылками соблюдают интервал молчания. Антонимом называют непрерывную передачу информации последовательностью битов.

Структура слоёв OSI:

Второй (канальный, связи данных) – кадр.
Третий (данных) – пакет.
Четвёртый (транспортный) – датаграмма.

Заголовок – эквивалент конверта.
Полезная информация – листок бумаги внутри.

Заголовок IP-пакета содержит следующие набор сведений:

Версия (IPv4, IPv6) – 4 бита.
Длина заголовка – 4 бита.
Приоритет (QoS) – 8 бит.
Длина пакета – 16 бит.
Слот идентификации группы – 16 бит.
3 бита фрагментации:
Всегда нуль.
Допустимость разбиения на части.
Наличие иных частей текущего пакета, идущих следом.

Адрес

Сетевые пакеты снабжены двумя адресами:

Выявление/коррекция ошибок

Поддерживается различными слоями протокола. Распространённые методики контроля:

Контрольная сумма.
Бит чётности.
Циклический код избыточности.

Иногда возможна модификация битых пакетов промежуточными звеньями передачи.

Счётчик прыжков

Встретив ошибку сети, пакет должен перестать бесцельно грузить сеть. Посланию назначают время жизни. Величина снижается каждой промежуточной точкой. Увидев нулевое время жизни, устройства уничтожают информацию. Сети Ethernet, лишённые возможности контролировать процесс аннулирования, подвергаются широковещательным штормам. Часть вызвана намеренной атакой хакеров.

Длина

Иногда размер указывают прямо, отдельные сети эксплуатируют принцип временного деления канала.

Приоритет

QoS стал притчей во языцех, отнимая 20% полосы пропускания сети, используемой для передачи приоритетных пакетов «срочно».

Полезная нагрузка

Примеры

Структурированные данные помогли увеличить производительность отдельных областей науки/техники.

Пакетный поток MPEG

Спецификация пакетированной передачи (PES) определена стандартом MPEG-2. Любопытный нюанс: использующие технологию программы ПК выполняют аналогичную работу, минуя сеть.

Заголовок

Старт-код:
- Префикс длиной 3 байта – шестнадцатеричная единица.
- Идентификатор потока длиной 1 байт – аудио, видео…
Длина пакета – 2 байта. Может быть нулевой, неопределённой для потоков видео.
Опциональный заголовок PES переменной длины.
Длина битов начинки.
Передаваемые данные.

Опциональный заголовок

Маркерные биты – 0х02.
Контроль шифрования. 0 – отсутствие скремблирования.
Приоритет – 1 бит.
Индикатор выравнивания – 1 бит. 1 – после заголовка непосредственно идёт информация.
Авторское право – 1 бит. 1 – защищённое произведение.
Оригинальность копии – 1 бит. 1 – содержит оригинал.
Индикатор PTS DTS – 2 бита. 11 – оба, 10 – PTS.
Флаг ESCR – 1 бит.
Флаг скорости ES – 1 бит.
Флаг режима DSM – 1 бит.
Флаг дополнительной копии информации – 1 бит.
Флаг CRC – 1 бит.
Флаг расширения – 1 бит.
Длина заголовка PES – 8 бит. Протяжённость оставшегося сегмента, имеющего переменную длину.
Опциональные поля.
Биты начинки – 0хff.

Технология призвана ускорить сети второго поколения сотовой связи. Пакетную передачу считают европейским ответом развитию концепции цифровой передачи CDPD (начало 90-х) и режиму i-mode. Основу GPRS составил разработанный ранее (1991-1993) стандарт CELLPAC. Пакетную передачу внедрили в 2000 году, окончив эпоху второго поколения сотовых сетей, создав пристройки:

Стандарт предполагает передачу IP-пакетов, реализуя туннельный протокол.

Функции

СМС.
ММС.
Мессенджеры.
P2P.
P2M.
Интернет.

Туннельный протокол

GTP-C (control). Функционирует сугубо внутри ядра сети. Управляет активацией, деактивацией, обновлением сессии, предоставляет QoS-приоритет. Создаёт, удаляет контекст PDP, определяет достижимость адресата.
GTP-U (user). Заведует переносом пакетов IPv4, IPv6, PPP меж ядрами сетей и средствами беспроводной связи.
GTP` (первичный). Управляет связью разрозненных частей сети.

Заголовок идентичен TCP/UDP. Пример версии 1:

Туннель позволяет менять абоненту местоположение, заведуя непрерывной передачей информации.

Туннель наводится меж узлами – точками, поддерживающими GPRS. Каждая снабжена входным Gn-интерфейсом. Имеются 2 глобальные разновидности:

Точка доступа

Имеет несколько определений:

IP-сеть подключения.
Набор настроек, описывающих соединение.
Соответствующая опция телефонного аппарата.

После формирования телефоном PDP-пакета выбирается APN (имя точки доступа). Настройки вводят вручную, либо заказывают автоматические. Точка доступа заведует отправкой адресов ДНС-серверу, получением адреса IP ресурса. Затем начинается передача контента:

PDP-контекст

Контекст пакетированного протокола данных (IP, X.25, FrameRelay) – структура, передаваемая участникам связи. Содержит информацию о сессии абонента. Мобильный телефон, запрашивающий информацию, формирует структуру, направляя ближайшему звену цепи:

IP-адрес абонента.
IMSI.
Туннельная точка врат.
Туннельная точка службы.

Опорные точки и интерфейсы

Некоторые экземпляры рассматриваемых структур упоминались выше. Интерфейсы:

Ga – помогает передать запись деталей вызова.
Gb – интерфейс подключения службы к базовой станции.
Iu – врата меж контроллером беспроводной сети и службами.
Gc – интерфейс получения вратами детальной информации, описывающей базовую станцию.
Gd – соединяет SMS врата со службами.
Ge – интерфейс служба-точка контроля сервиса.
Gf – интерфейс служба-реестр идентификаторов оборудования.
Gi – интерфейс врата-публичная сеть (иногда интернет).
Gmb – интерфейс врата-центр службы вещания.
Gn – интерфейс общения служб.
Gp – интерфейс служба-внешние врата.
Gr – интерфейс служба-базовая сеть.
Gs – интерфейс служба-реестр базовой сети.
Gx – интерфейс онлайн политики врата-функция правил оплаты.
Gy – интерфейс врата-система онлайн оплаты.
Gz – интерфейс оффлайн оплаты врата-система GTP`.
Lg – интерфейс служба-центра базирования мобильных врат.
S6d – интерфейс служба-сервер домашних абонентов.
S3 – интерфейс служба-объект управления мобильностью.

GPRS расширял функционал GSM, HSPA выполняет аналогичную роль касательно UMTS. Различаются два подвида:

Нисходящая ветвь (загрузка информации станцией) – 14 Мбит/с.
Восходящая ветвь (приём информации станцией) – 5,76 Мбит/с.

Потоки разнесены ввиду разных техник, скоростей. Протоколы пакетной передачи удваивают скорости оригинального стандарта.

HSDPA

Усовершенствованный вариант протокола третьего поколения. Чаще называют 3G+, 3.5 G, Turbo G. Представлен пятым релизом 3GPP. Седьмой выпуск ввёл понятие HSPA+, предоставляющий преимущества благодаря:

Модуляции 64QAM.
Множественное кодирование MIMO.
Двуячеячные операции HSDPA (два канала шириной 5 МГц).

Наконец, релиз 11 достиг планки 337,5 Мбит/с.

HSUPA

Добавляет новый транспортный канал. Последовали улучшения, дублирующие HSDPA:

Мультикодированная передача.
Сокращение время отклика (TTI).
Новое управление избыточностью, ускоряющее коррекцию ошибок.

Пакетная передача дополнена принципом гарантированного запроса. Оболочка выбирает количество абонентов, устанавливает время связи. Разрешается передача данных без авторизации, используется VoIP. Скорость устанавливается по факту соединения. Контролируемый оболочкой звонок получается заданные характеристики.

Рассмотрим, каким образом описанные выше общие подходы к решению проблем построения сетей воплощены в наиболее популярной сетевой технологии — Ethernet . (Заметим, что мы не будем сейчас подробно рассматривать саму технологию — отложим этот важный вопрос до следующего курса, а сегодня остановимся лишь на некоторых принципиальных моментах, иллюстрирующих ряд уже рассмотренных базовых концепций.)

Сетевая технология — это согласованный набор стандартных протоколов и программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров , драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети.

Эпитет "достаточный" подчеркивает то обстоятельство, что речь идет о минимальном наборе средств, с помощью которых можно построить работоспособную сеть . Эту сеть можно усовершенствовать, например, за счет выделения в ней подсетей, что сразу потребует кроме протоколов стандарта Ethernet применения протокола IP , а также специальных коммуникационных устройств — маршрутизаторов. Усовершенствованная сеть будет, скорее всего, более надежной и быстродействующей, но за счет надстроек над средствами технологии Ethernet , которая составила базис сети.

Термин " сетевая технология " чаще всего используется в описанном выше узком смысле, но иногда применяется и его расширенное толкование как любого набора средств и правил для построения сети, например "технология сквозной маршрутизации", "технология создания защищенного канала", "технология IP -сетей".

Протоколы, на основе которых строится сеть определенной технологии (в узком смысле), создавались специально для совместной работы, поэтому от разработчика сети не требуется дополнительных усилий по организации их взаимодействия. Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями , имея в виду, что на их основе строится базис любой сети. Примерами базовых сетевых технологий могут служить наряду с Ethernet такие известные технологии локальных сетей как Token Ring и FDDI , или же технологии территориальных сетей Х.25 и frame relay . Для получения работоспособной сети в этом случае достаточно приобрести программные и аппаратные средства , относящиеся к одной базовой технологии — сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы , коммутаторы, кабельную систему и т. п., — и соединить их в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию.

Итак, для сетевой технологии - Ethernet характерны:

коммутация пакетов ;
типовая топология - "общая шина" ;
плоская числовая адресация ;
разделяемая передающая среда .

Основной принцип, положенный в основу Ethernet , — случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель , витая пара , оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного доступа к разделяемой среде , была радиосеть Aloha Гавайского университета).

В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой "общая шина" (рис. 7.3). С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами — сетевыми адаптерами - Ethernet . Каждый компьютер , а точнее, каждый сетевой адаптер , имеет уникальный адрес . Передача данных происходит со скоростью 10 Мбит/с. Эта величина является пропускной способностью сети Ethernet .

Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды.

После того как компьютер убедился, что сеть свободна, он начинает передачу и при этом "захватывает" среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра . Кадр — это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet . Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например адрес получателя и адрес отправителя.

Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры начинают одновременно принимать этот кадр . Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра , и, если этот адрес совпадает с их собственным, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера . Таким образом компьютер -адресат получает предназначенные ему данные.

Может возникнуть ситуация, когда несколько компьютеров одновременно решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация, называемая коллизией , препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий . Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика.

После обнаружения коллизии - сетевые адаптеры , которые пытались передать свои кадры , прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр , который вызвал коллизию .

Основные достоинства технологии Ethernet

Главным достоинством сетей Ethernet , благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины.
Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведет к упрощению и, соответственно, снижению стоимости сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью.
И, наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть возможность подключения новых узлов.

Другие базовые сетевые технологии , такие как Token Ring и FDDI , хотя и обладают индивидуальными чертами, в то же время имеют много общего с Ethernet . В первую очередь , это применение регулярных фиксированных топологий ("иерархическая звезда " и "кольцо"), а также разделяемых сред передачи данных . Существенные отличия одной технологии от другой связаны с особенностями используемого метода доступа к разделяемой среде . Так, отличия технологии Ethernet от технологии Token Ring во многом определяются спецификой заложенных в них методов разделения среды — случайного алгоритма доступа в Ethernet и метода доступа путем передачи маркера в Token Ring .

Коммутация каналов и пакетов - это методы решения обобщенной задачи коммутации данных в любой сетевой технологии. Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в своей совокупности состоит из частных задач сетей передачи данных.

К частным задачам сетей передачи данных относятся:

определение потоков и соответствующих маршрутов;
фиксация маршрутов в конфигурационных параметрах и таблицах сетевых устройств;
распознавание потоков и передача данных между интерфейсами одного устройства;
мультиплексирование/демультиплексирование потоков;
разделение среды передачи.

Среди множества возможных подходов к решению обобщенной задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих, к которым относят коммутацию каналов и коммутацию пакетов . При этом существуют традиционные области применения каждой из техник коммутации, например, телефонные сети строились и продолжают строиться с использованием техники коммутации каналов, а компьютерные сети в подавляющем большинстве основаны на технике коммутации пакетов.

Так в качестве информационных потоков в сетях с коммутацией каналов выступают данные, которыми обмениваются пары абонентов. Соответственно глобальным признаком потока является пара адресов (телефонных номеров) абонентов, связывающихся между собой. Одной из особенностей сетей с коммутацией каналов является понятие элементарного канала.

Элементарный канал

Элементарный канал (или просто канал) — это базовая техническая характеристика сети с коммутацией каналов, представляющая собой некоторое фиксированное в пределах данного типа сетей значение пропускной способности. Любая линия связи в сети с коммутацией каналов имеет пропускную способность, кратную элементарному каналу, принятому для данного типа сети.

В традиционных телефонных сетях величина скорости элементарного канала равняется 64 Кбит/с , что достаточно для качественной цифровой передачи голоса.

Для качественной передачи голоса используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц (дискретизация по времени с интервалом 125 мкс). Для представления амплитуды одного замера чаще всего используется 8 бит кода, что дает 256 градаций звукового сигнала (дискретизация по значениям).

В этом случае для передачи одного голосового канала необходима пропускная способность 64 Кбит/с:

8000 х 8 = 64 000 бит/ с или 64 Кбит/с.

Такой голосовой канал называют элементарным каналом цифровых телефонных сетей. Особенностью сетей с коммутацией каналов является то, что пропускная способность каждой линии связи должна быть равна целому числу элементарных каналов.

Составной канал

Связь, построенную путем коммутации (соединения) элементарных каналов, называют составным каналом .

Свойства составного канала:

составной канал на всем своем протяжении состоит из одинакового количества элементарных каналов;
составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность на всем своем протяжении;
составной канал создается временно на период сеанса связи двух абонентов;
на время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в составной канал, поступают в исключительное пользование абонентов, для которых был создан этот составной канал;
в течение всего сеанса связи абоненты могут посылать в сеть данные со скоростью, не превышающей пропускную способность составного канала;
данные, поступившие в составной канал, гарантированно доставляются вызываемому абоненту без задержек, потерь и с той же скоростью (скоростью источника) вне зависимости от того, существуют ли в это время в сети другие соединения или нет;
после окончания сеанса связи элементарные каналы, входившие в соответствующий составной канал, объявляются свободными и возвращаются в пул распределяемых ресурсов для использования другими абонентами.

Отказ в соединении

Запросы на установление соединения не всегда завершаются успешно.

Если на пути между вызывающим и вызываемым абонентами отсутствуют свободные элементарные каналы или вызываемый узел занят, то происходит отказ в установлении соединения .

Преимущество коммутации каналов

Технология коммутации каналов ориентирована на минимизацию случайных событий в сети, то есть это технология. Во избежание всяких возможных неопределенностей значительная часть работы по организации информационного обмена выполняется заранее, еще до того, как начнется собственно передача данных. Сначала по заданному адресу проверяется доступность необходимых элементарных каналов на всем пути от отправителя до адресата. Но в случае с пульсирующим трафиком, данный подход является неэффективным, так как до 80% времени канал может простаивать.

Коммутация пакетов

Важнейшим принципом функционирования сетей с коммутацией пакетов является представление информации, передаваемой по сети, в виде структурно отделенных друг от друга порций данных, называемых пакетами . Каждый пакет снабжен заголовком , в котором содержится адрес назначения и другая вспомогательная информация (длина поля данных, контрольная сумма и др.), используемая для доставки пакета адресату.

Наличие адреса в каждом пакете является одной из важнейших особенностей техники коммутации пакетов, так как каждый пакет может быть обработан коммутатором независимо от других пакетов, составляющих сетевой трафик. Помимо заголовка у пакета может иметься еще одно дополнительное поле, размещаемое в конце пакета и поэтому называемое концевиком. В концевике обычно помещается контрольная сумма, которая позволяет проверить, была ли искажена информация при передаче через сеть или нет.

Разбиение данных на пакеты

Передача данных по сети в виде пакетов

Как и в сетях с коммутацией каналов, в сетях с коммутацией пакетов для каждого из потоков вручную или автоматически определяется маршрут, фиксируемый в хранящихся на коммутаторах таблицах коммутации. Пакеты, попадая на коммутатор, обрабатываются и направляются по тому или иному маршруту

Неопределенность и асинхронность перемещения данных в сетях с коммутацией пакетов предъявляет особые требования к работе коммутаторов в таких сетях.

Главное отличие пакетных коммутаторов от коммутаторов в сетях с коммутацией каналов состоит в том, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов. Коммутатору нужны буферы для согласования скоростей передачи данных в линиях связи, подключенных к его интерфейсам, а также для согласования скорости поступления пакетов со скоростью их коммутации.

Методы продвижения пакетов

Пакетный коммутатор может работать на основании одного из трех методов продвижения пакетов:

дейтаграммная передача;
передача с установлением логического соединения;
передача с установлением виртуального канала.

Дейтаграммная передача

Дейтаграммный способ передачи данных основан на независимом продвижении пакетов друг относительно друга. Процедура обработки пакета определяется только значениями параметров, которые он несет в себе, и текущим состоянием сети . И каждый отдельный пакет рассматривается сетью как совершенно независимая единица передачи — дейтаграмма.

Иллюстрация дейтаграммного принципа передачи пакетов

Передача с установлением логического соединения

Процедура согласования двумя конечными узлами сети некоторых параметров процесса обмена пакетами называется установлением логического соединения. Параметры, о которых договариваются два взаимодействующих узла, называются параметрами логического соединения.

Виртуальный канал

Единственный заранее проложенный фиксированный маршрут, соединяющий конечные узлы в сети с коммутацией пакетов, называют виртуальным каналом (virtual circuit или virtual channel). Виртуальные каналы прокладываются для устойчивых информационных потоков. С целью выделения потока данных из общего трафика каждый пакет этого потока помечается специальным видом признака — меткой. Так же как в сетях с установлением логических соединений, прокладка виртуального канала начинается с отправки из узла-источника специального пакета — запроса на установление соединения.

Таблица коммутации в сетях, использующих виртуальные каналы, отличается от таблицы коммутации в дейтаграммных сетях. Она содержит записи только о проходящих через коммутатор виртуальных каналах, а не обо всех возможных адресах назначения, как это имеет место в сетях с дейтаграммным алгоритмом продвижения

Ethernet – технология локальных сетей, отвечающая за передачу данных по кабелю, доступную для устройств компьютерных и промышленных сетей. Данная технология располагается на канальном (подуровни LLC и MAC) и физическом уровнях модели OSI.

По скорости передачи данных существуют такие технологии:

Ethernet – 10 Мб/с
Fast Ethernet – 100 Мб/с
Gigabit Ethernet – 1 Гб/с
10G Ethernet – 10 Гб/с

Современное оборудование позволяет достигать скорости в 40 Гб/с и 100 Гб/с: такие технологии получили название 40GbE и 100GbE соответственно.

Также стоит выделить классический и коммутируемый Ethernet. Первый изначально использовал разделяемую среду в виде коаксиального кабеля, который позже был вытеснен концентраторами (hub). Основные недостатки – низкая безопасность и плохая масштабируемость (искажение данных при одновременной передаче 2-мя и более компьютерами, также известное как "коллизия").

Коммутируемый Ethernet является более новой и усовершенствованной технологией, которая используется по сей день. Чтобы устранить недостатки предыдущей версии, разделяемую среду исключили и использовали соединение точка-точка. Это стало возможным благодаря новым устройствам под названием "коммутаторы" (switch).

Классическая технология Ethernet давно и успешно заменена новыми технологиями, но некоторые нюансы работы сохранились. Рассмотрим классическую версию.

Физический уровень включает в себя 3 варианта работы Ethernet, которые зависят от сред передачи данных. Это:

коаксиальный кабель
витая пара
оптоволокно

Канальный, в свою очередь, включил методы доступа, а также протоколы, что ничем не отличаются для различных сред передачи данных. Подуровни LLC и MAC в классической технологии присутствуют вместе.

MAC-адреса позволяют идентифицировать устройства, подключенные к сети Ethernet, и идентичных при этом быть не должно, в противном случае из нескольких устройств с одинаковыми адресами будет работать только одно.

По типам MAC-адреса разделяются на:

Индивидуальные (для отдельных компьютеров).
Групповые (для нескольких компьютеров).
Широковещательные (для всех компьютеров сети).

Адреса могут назначаться как производителем оборудования (централизованно), так и администратором сети (локально).

Технология Ethernet и формат кадра:

Также не стоит забывать о коллизиях. Если сигнал, который принят, отличается от переданного, это означает, что произошла коллизия.

Технология CSMA/CD разработана с учетом возникновения коллизий и предполагает их контроль. Модель CSMA/CD выглядит следующим образом:

Классический Ethernet плох тем, что становится неработоспособным при нагрузке более чем 30%.

На сегодняшний день это наиболее оптимальная альтернатива, которая полностью исключает возможность появления коллизий и связанных с ними проблем.

Суть коммутируемого Ethernet в том, что вместо хаба используется свич (коммутатор) – устройство, которое работает на канальном уровне и обладает полносвязной топологией, что обеспечивает соединение всех портов друг с другом напрямую по технологии точка-точка.

Таблицы коммутации есть в каждом таком устройстве. Они описывают, какие компьютеры к какому порту свича подключены. Чтобы узнать MAC-адреса, используется алгоритм обратного обучения, а для передачи данных – алгоритм прозрачного моста.

Простейшая таблица коммутации:

Алгоритм обратного обучения работает таким образом: коммутатор принимает кадры, анализирует заголовок и извлекает из него адрес отправителя. Таким образом, к определенному порту подключен компьютер с конкретным MAC-адресом.

Прозрачный мост не требует настройки и так назван за счет того, что он не заметен для сетевых устройств (у него нет своего MAC-адреса). Коммутатор принимает кадр, анализирует заголовок, извлекает из него адрес получателя и сопоставляет его с таблицей коммутации, определяя порт, к которому подключено устройство. Таким образом, кадр передается на конкретный порт получателя, а не на все порты, как в случае с концентратором. Если же адрес не найден в таблице, коммутатор работает так же, как и хаб.

Технология Ethernet претерпела немало изменений с момента своего появления. Сегодня она способна обеспечить высокоскоростное соединение, лишенное коллизий и не ограниченное небольшой нагрузкой сети, как это было в случае с классическим Ethernet.

В современных локальных сетях используются коммутаторы, которые по своей функциональности значительно эффективнее концентраторов. Больше нет разделяемой среды и связанных с ней коллизий, затрудняющих работу с сетью. Свичи анализируют заголовки и передают кадры только конечному получателю по принципу точка-точка. Способны "изучать" сеть благодаря таблице коммутации и алгоритму обратного обучения.

Плюсами коммутируемого Ethernet являются масштабируемость, высокая производительность и безопасность.

Cтек протоколов TCP/IP широко распространен. Он используется в качестве основы для глобальной сети интернет. Разбираемся в основных понятиях и принципах работы стека.

Основы TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol, протокол управления передачей/протокол интернета) — сетевая модель, описывающая процесс передачи цифровых данных. Она названа по двум главным протоколам, по этой модели построена глобальная сеть — интернет. Сейчас это кажется невероятным, но в 1970-х информация не могла быть передана из одной сети в другую, с целью обеспечить такую возможность был разработан стек интернет-протоколов также известный как TCP/IP.

Разработкой этих протоколов занималось Министерство обороны США, поэтому иногда модель TCP/IP называют DoD (Department of Defence) модель. Если вы знакомы с моделью OSI, то вам будет проще понять построение модели TCP/IP, потому что обе модели имеют деление на уровни, внутри которых действуют определенные протоколы и выполняются собственные функции. Мы разделили статью на смысловые части, чтобы было проще понять, как устроена модель TCP/IP:

Уровневая модель TCP/IP

Три верхних уровня — прикладной, транспортный и сетевой — присутствуют как в RFC, так и у Таненбаума и других авторов. А вот стоит ли говорить только о канальном или о канальном и физическом уровнях — нет единого мнения. В RFC они объединены, поскольку выполняют одну функцию. В статье мы придерживаемся официального интернет-стандарта RFC и не выделяем физический уровень в отдельный. Далее мы рассмотрим четыре уровня модели.

Канальный уровень (link layer)

Предназначение канального уровня — дать описание тому, как происходит обмен информацией на уровне сетевых устройств, определить, как информация будет передаваться от одного устройства к другому. Информация здесь кодируется, делится на пакеты и отправляется по нужному каналу, т.е. среде передачи.

Этот уровень также вычисляет максимальное расстояние, на которое пакеты возможно передать, частоту сигнала, задержку ответа и т.д. Все это — физические свойства среды передачи информации. На канальном уровне самым распространенным протоколом является Ethernet, но мы рассмотрим его на примере в конце статьи.

Межсетевой уровень (internet layer)

Каждая индивидуальная сеть называется локальной, глобальная сеть интернет позволяет объединить все локальные сети. За объединение локальных сетей в глобальную отвечает сетевой уровень. Он регламентирует передачу информации по множеству локальных сетей, благодаря чему открывается возможность взаимодействия разных сетей.

Межсетевое взаимодействие — это основной принцип построения интернета. Локальные сети по всему миру объединены в глобальную, а передачу данных между этими сетями осуществляют магистральные и пограничные маршрутизаторы.

Маска подсети и IP-адреса

Маска подсети помогает маршрутизатору понять, как и куда передавать пакет. Подсетью может являться любая сеть со своими протоколами. Маршрутизатор передает пакет напрямую, если получатель находится в той же подсети, что и отправитель. Если же подсети получателя и отправителя различаются, пакет передается на второй маршрутизатор, со второго на третий и далее по цепочке, пока не достигнет получателя.

Протокол интернета — IP (Internet Protocol) используется маршрутизатором, чтобы определить, к какой подсети принадлежит получатель. Свой уникальный IP-адрес есть у каждого сетевого устройства, при этом в глобальной сети не может существовать два устройства с одинаковым IP. Он имеет два подвида, первым был принят IPv4 (IP version 4, версии 4) в 1983 году.

IPv4 предусматривает назначение каждому устройству 32-битного IP-адреса, что ограничивало максимально возможное число уникальных адресов 4 миллиардами (2 32 ). В более привычном для человека десятичном виде IPv4 выглядит как четыре блока (октета) чисел от 0 до 255, разделенных тремя точками. Первый октет IP-адреса означает его класс, классов всего 4: A, B, C, D.

IPv6 имеет вид восьми блоков по четыре шестнадцатеричных значения, а каждый блок разделяется двоеточием. IPv6 выглядит следующим образом:

Так как IPv6 адреса длинные, их разрешается сокращать по следующим правилам: ведущие нули допускается опускать, например в адресе выше :00FF: позволяется записывать как :FF:, группы нулей, идущие подряд тоже допустимо сокращать и заменять на двойное двоеточие, например, 2DAB:FFFF::01AA:00FF:DD72:2C4A. Допускается делать не больше одного подобного сокращения в адресе IPv6.

IP предназначен для определения адресата и доставки ему информации, он предоставляет услугу для вышестоящих уровней, но не гарантирует целостность доставляемой информации.

ICMP и IGMP

ICMP никогда не вызывается сетевыми приложениями пользователя, кроме случаев диагностики сети, к примеру, пинг (ping) или traceroute (tracert). ICMP не передает данные, это отличает его от транспортных TCP и UDP, расположенных на L3, которые переносят любые данные. ICMP работает только с IP четвертой версии, с IPv6 взаимодействует ICMPv6.

Сетевые устройства объединяются в группы при помощи IGMP, используемый хостами и роутерами в IPv4 сетях. IGMP организует multicast-передачу информации, что позволяет сетям направлять информацию только хостам, запросившим ее. Это удобно для онлайн-игр или потоковой передаче мультимедиа. IGMP используется только в IPv4 сетях, в сетях IPv6 используется MLD (Multicast Listener Discovery, протокол поиска групповых слушателей), инкапсулированный в ICMPv6.

Транспортный уровень (transport layer)

Постоянные резиденты транспортного уровня — протоколы TCP и UDP, они занимаются доставкой информации.

TCP (протокол управления передачей) — надежный, он обеспечивает передачу информации, проверяя дошла ли она, насколько полным является объем полученной информации и т.д. TCP дает возможность двум хостам производить обмен пакетами через установку соединения. Он предоставляет услугу для приложений, повторно запрашивает потерянную информацию, устраняет дублирующие пакеты, регулируя загруженность сети. TCP гарантирует получение и сборку информации у адресата в правильном порядке.

UDP (протокол пользовательских датаграмм) — ненадежный, он занимается передачей автономных датаграмм. UDP не гарантирует, что всех датаграммы дойдут до получателя. Датаграммы уже содержат всю необходимую информацию, чтобы дойти до получателя, но они все равно могут быть потеряны или доставлены в порядке отличном от порядка при отправлении.

UDP обычно не используется, если требуется надежная передача информации. Использовать UDP имеет смысл там, где потеря части информации не будет критичной для приложения, например, в видеоиграх или потоковой передаче видео. UDP необходим, когда делать повторный запрос сложно или неоправданно по каким-то причинам.

Протоколы L3 не интерпретируют информацию, полученную с верхнего или нижних уровней, они служат только как канал передачи, но есть исключения. RSVP (Resource Reservation Protocol, протокол резервирования сетевых ресурсов) может использоваться, например, роутерами или сетевыми экранами в целях анализа трафика и принятия решений о его передаче или отклонении в зависимости от содержимого.

Прикладной уровень (application layer)

В модели TCP/IP отсутствуют дополнительные промежуточные уровни (представления и сеансовый) в отличие от OSI. Функции форматирования и представления данных делегированы библиотекам и программным интерфейсам приложений (API) — своего рода базам знаний. Когда службы или приложения обращаются к библиотеке или API, те в ответ предоставляют набор действий, необходимых для выполнения задачи и полную инструкцию, каким образом эти действия нужно выполнять.

Зачем нужен порт и что означает термин сокет

Приложения прикладного уровня, общаются также с предыдущим, транспортным, но они видят его протоколы как «черные ящики». Для приема-передачи информации они могут работать с TCP или UDP, но понимают только конечный адрес в виде IP и порта, а не принцип их работы.

IP присваивается каждому компьютеру межсетевым уровнем, но обмен данными происходит не между компьютерами, а между приложениями, установленными на них. Чтобы получить доступ к тому или иному сетевому приложению недостаточно только IP, для идентификации приложений применяют порты. Комбинация IP-адреса и порта называется сокетом или гнездом (socket). Поэтому обмен информацией происходит между сокетами. Нередко слово сокет употребляют как синоним для хоста или пользователя, также сокетом называют гнездо подключения процессора.

Из привилегий у приложений на прикладном уровне можно выделить наличие собственных протоколов для обмена данными, а также фиксированный номер порта для обращения к сети. Администрация адресного пространства интернет (IANA), занимающаяся выделением диапазонов IP-адресов, отвечает еще за назначение сетевым приложениям портов.

Процесс, кодирования данных на прикладном уровне, передача их на транспортном, а затем на межсетевом и, наконец, на канальном уровне называется инкапсуляцией данных. Обратная передача битов информации по иерархии, с канального на прикладной уровни, называют декапсуляцией. Оба процесса осуществляются на компьютерах получателя и отправителя данных попеременно, это позволяет долго не удерживать одну сторону канала занятой, оставляя время на передачу информации другому компьютеру.

Стек протоколов, снова канальный уровень

О канальном уровне модели TCP/IP мы рассказали меньше всего, давайте вернемся еще раз к началу, чтобы рассмотреть инкапсуляцию протоколов и, что значит «стек».

Большинству пользователей знаком протокол Ethernet. В сети, по стандарту Ethernet, устройства отправителя и адресата имеют определенный MAC-адрес — идентификатор «железа». MAC-адрес инкапсулируется в Ethernet вместе с типом передаваемых данных и самими данными. Фрагмент данных, составленных в соответствии с Ethernet называется фреймом или кадром (frame).

MAC-адрес каждого устройства уникален и двух «железок» с одинаковым адресом не должно существовать, хотя порой такое случается, что приводит к сетевым проблемам. Таким образом, при получении сетевой адаптер занимается извлечением полученной информации из кадра и ее дальнейшей обработкой.

После ознакомления с уровневой структурой модели становится понятно, что информация не может передаваться между двумя компьютерами напрямую. Сначала кадры передаются на межсетевой уровень, где компьютеру отправителя и компьютеру получателя назначается уникальный IP. После чего, на транспортном уровне, информация передается в виде TCP-фреймов либо UDP-датаграмм.

На каждом этапе, подобно снежному кому, к уже имеющейся информации добавляется служебная информация, например, порт на прикладном уровне, необходимый для идентификации сетевого приложения. Добавление служебной информации к основной обеспечивают разные протоколы — сначала Ethernet, поверх него IP, еще выше TCP, над ним порт, означающий приложение с делегированным ему протоколом. Такая вложенность называется стеком, названным TCP/IP по двум главным протоколам модели.

Point-to-Point протоколы

Отдельно расскажем о Point-to-Point (от точки к точке, двухточечный) протоколе также известном как PPP. PPP уникален по своим функциям, он применяется для коммуникации между двумя маршрутизаторами без участия хоста или какой-либо сетевой структуры в промежутке. При необходимости, PPP обеспечивает аутентификацию, шифрование, а также сжатие данных. Он широко используется при построении физических сетей, например, кабельных телефонных, сотовых телефонных, сетей по кабелю последовательной передачи и транк-линий (когда один маршрутизатор подключают к другому для увеличения размера сети).

У PPP есть два подвида — PPPoE (PPP по Ethernet) и PPPoA (PPP через асинхронный способ передачи данных — ATM), интернет-провайдеры часто их используют для DSL соединений.

PPP и его старший аналог SLIP (протокол последовательной межсетевой связи) формально относятся к межсетевому уровню TCP/IP, но в силу особого принципа работы, иногда выделяются в отдельную категорию. Преимущество PPP в том, что для установки соединения не требуется сетевая инфраструктура, а необходимость маршрутизаторов отпадает. Эти факторы обуславливают специфику использования PPP протоколов.

Заключение

Стек TCP/IP регламентирует взаимодействие разных уровней. Ключевым понятием в здесь являются протоколы, формирующие стек, встраиваясь друг в друга с целью передать данные. Рассмотренная модель по сравнению с OSI имеет более простую архитектуру.

Сама модель остается неизменной, в то время как стандарты протоколов могут обновляться, что еще дальше упрощает работу с TCP/IP. Благодаря всем преимуществам стек TCP/IP получил широкое распространение и использовался сначала в качестве основы для создания глобальной сети, а после для описания работы интернета.

Читайте также: