Сети ЭВМ и телекоммуникации

Сети ЭВМ и телекоммуникации
Token ring
• Token Ring — технология локальной
вычислительной сети (LAN) кольца с
«маркёрным доступом», протокол
локальной сети, который находится
на канальном уровне модели OSI.
• Использует специальный
трёхбайтовый фрейм, названный
маркёром, который перемещается
вокруг кольца. Владение маркёром
предоставляет право обладателю
передавать информацию на
носителе.
• Кадры кольцевой сети с маркерным
доступом перемещаются в цикле.
Сфера применения
• В отличие от сетей CSMA/CD (например, Ethernet) сети с
передачей маркёра являются детерминистическими сетями,
т.е. можно вычислить максимальное время, которое
пройдет, прежде чем любая конечная станция сможет
передавать.
• Эта характеристика, а также некоторые характеристики
надежности, делают сеть Token Ring идеальной для
применений, где задержка должна быть предсказуема и
важна устойчивость функционирования сети.
• Примерами таких применений является среда
автоматизированных станций на заводах.
• В настоящее время Ethernet по надёжности не уступает
Token Ring и существенно выше по производительности.
Сеть Token Ring может включать до 260 узлов.
Различные форматы кадров
• Маркер
• кадр данных
• прерывающая последовательность
Кадр маркера
• Состоит из трех полей, каждое длиной в один байт:
– Начальный ограничитель (Start Delimiter, SD) появляется в начале маркера, а также
в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле представляет собой уникальную
последовательность символов манчестерского кода: JKOJKOOO.
– Управление доступом (Access Control) состоит из четырех подполей: РРР, Т, М и RRR,
где РРР - биты приоритета, Т - бит маркера, М - бит монитора, RRR -резервные биты
приоритета. Бит Т, установленный в 1, указывает на то, что данный кадр является
маркером доступа. Бит монитора устанавливается в 1 активным монитором и в 0
любой другой станцией, передающей маркер или кадр. Если активный монитор
видит маркер или кадр, содержащий бит монитора со значением 1, то активный
монитор знает, что этот кадр или маркер уже однажды обошел кольцо и не был
обработан станциями. Если это кадр, то он удаляется из кольца. Если это маркер, то
активный монитор передает его дальше по кольцу. Использование полей
приоритетов будет рассмотрено ниже.
– Конечный ограничитель (End Delimeter, ED) - последнее поле маркера. Так же как и
поле начального ограничителя, это поле содержит уникальную последовательность
манчестерских кодов JK1JK1, а также два однобитовых признака: I и Е. Признак I
(Intermediate) показывает, является ли кадр последним в серии кадров (1-0) или
промежуточным (1-1). Признак Е (Error) - это признак ошибки. Он устанавливается в
0 станцией-отправителем, и любая станция кольца, через которую проходит кадр,
должна установить этот признак в 1, если она обнаружит ошибку по контрольной
сумме или другую некорректность кадра.
Формат кадра данных
•
•
•
•
•
начальный ограничитель (Start Delimiter, SD);
управление кадром (Frame Control, PC);
адрес назначения (Destination Address, DA) от 2 до 6 байт;
адрес источника (Source Address, SA) от 2 до 6 байт;
данные (INFO) - поле не имеет максимальной длины, хотя существуют
практические ограничения;
• контрольная сумма (Frame Check Sequence, PCS);
• конечный ограничитель (End Delimeter, ED);
• статус кадра (Frame Status, FS).
Кадр данных может переносить либо служебные данные для управления
кольцом (данные МАС-уровня), либо пользовательские данные (LLCуровня).
Типы кадров
• Стандарт Token Ring определяет 6 типов управляющих кадров МАСуровня. Поле FC определяет тип кадра (MAC или LLC), и если он
определен как MAC, то поле также указывает, какой из шести типов
кадров представлен.
–
–
–
–
–
–
Чтобы удостовериться, что ее адрес уникальный, станция, когда впервые присоединяется к кольцу, посылает
кадр Тест дублирования адреса (Duplicate Address Test, DAT).
Чтобы сообщить другим станциям, что он работоспособен, активный монитор периодически посылает в кольцо
кадрСуществует активный монитор (Active Monitor Present, AMP).
Кадр Существует резервный монитор (Standby Monitor Present, SMP) отправляется любой станцией, не
являющейся активным монитором.
Резервный монитор отправляет кадр Маркер заявки (Claim Token, CT), когда подозревает, что активный монитор
отказал, затем резервные мониторы договариваются между собой, какой из них станет новым активным
монитором.
Станция отправляет кадр Сигнал (Beacon, BCN) в случае возникновения серьезных сетевых проблем, таких как
обрыв кабеля, обнаружение станции, передающей кадры без ожидания маркера, выход станции из строя.
Определяя, какая станция отправляет кадр сигнала, диагностирующая программа (ее существование и функции не
определяются стандартами Token Ring) может локализовать проблему. Каждая станция периодически передает
кадры BCN до тех пор, пока не примет кадр BCN от своего предыдущего (NAUN) соседа. В результате в кольце только
одна станция продолжает передавать кадры BCN - та, у которой имеются проблемы с предыдущим соседом. В сети
Token Ring каждая станция знает МАС - адрес своего предыдущего соседа, поэтому Beacon-процедура приводит к
выявлению адреса некорректно работающей станции.
Кадр Очистка (Purge, PRG) используется новым активным монитором для того, чтобы перевести все станции в
исходное состояние и очистить кольцо от всех ранее посланных кадров.
Межсетевое взаимодействие
• Базовая сетевая технология – это согласованный
набор протоколов и реализующих их программноаппаратных средств, достаточных для построения
вычислительной сети.
Примеры: Ethernet, Token Ring, FDDI.
• Существуют множества:
– различные базовые сетевые технологии;
– различные поколения протоколов;
– сетевое оборудование от различных производителей.
• Задача – обеспечение межсетевого взаимодействия
Методы межсетевого взаимодействия
• Инкапсуляция
• Трансляция
• Мультиплексирования
Инкапсуляция
• Инкапсуляция – метод согласования разнородных
сетей, использующих различные технологии
транспортировки данных.
• Используется:
– промежуточные сети применяются как транзитные ;
– транзитная сеть находится между сетями с одинаковыми
базовыми технологиями.
• Метод имеет сходство с принципами инкапсуляции
пакетов при продвижении пакета по стеку
протоколов.
• Метод может быть использован для транспортных
протоколов любого уровня.
Трансляция
• Метод обеспечивает согласование двух протоколов за счет
конвертирования формата сообщения, поступающего из одной
сети, в формат другой сети.
• Задача выполняется аппаратно-программными средствами.
• Сложность выполнения трансляции оценивается различиями
между протоколами.
Например: при конвертации сообщения Ethernet в сообщение Token
Ring сложность низкая.
• Недостатки трансляции:
– Через транслятор должен проходить весь сетевой трафик (узкое
место составной сети);
– Трансляция может оказаться весьма трудоемкой задачей (существует
некоторая вычислительная сложность), что может привести к
снижению скорости передачи трафика.
Мультиплексирование
• Метод согласования межсетевого взаимодействия
при котором возможна работа сразу нескольких
протоколов.
• Возможно использование одновременно нескольких
стеков проколов.
• Мультиплексирование обеспечивается аппаратнопрограммными средствами называемыми
мультиплексорами или менеджерами протоколов.
• Метод позволяет избавиться от узкого места сети,
однако страдает простота администрирования и
контроля работоспособности сети.
Дайте определения следующим
терминам
•
•
•
•
•
•
•
Маршрутизация
Маршрут пакета
Мост
Коммутатор
Физический адрес
Сетевой адрес
Маршрутизатор
Маршрутизатор
•
Маршрутизатор – аппаратнопрограммый комплекс, способный
выполнять функции сетевого уровня
модели OSI.
• Объединение разнородный сетей с
помощью маршрутизаторов допускает
наличие петель в топологии.
• Маршрутизаторы делятся:
– Программные;
– Аппаратные.
Принцип работы:
Обычно используется адрес получателя, указанный в пакетах данных, и
определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует
передать данные;
Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута,
пакет отбрасывается.
Маршрутизация
Задачи маршрутизации:
 Определение оптимального маршрута
пересылки пакета;
 Пересылка пакета по маршруту.
Для определения оптимального маршрута
необходимо следующее:


информация о всех существующих и доступных маршрутах;
необходим алгоритм поиска оптимального маршрута на
основе информации о всех доступных маршрутах.
• Маршрутизация осуществляется на основе
маршрутных таблиц.
Требования к алгоритму маршрутизации
• Выбираемый маршрут должен быть наиболее
оптимальным;
• Реализация алгоритма должна быть простой
(небольшая вычислительная мощность);
• Алгоритм должен обладать высокой
отказоустойчивостью;
• Адаптация алгоритма к изменяющимся
условиям должна происходить в минимальные
сроки.
Классификация алгоритмов
маршрутизации
• По актуальности используемых маршрутов:
– Статические;
– Динамические.
• По принципу обмена информацией:
– Состояния канала;
– Дистанционно-векторные.
• По количеству определенных маршрутов:
– Одномаршрутные;
– Многомаршрутные.
• По используемой структуре маршрутизации:
– Одноуровневые;
– Иерархические.
• По отношению к домену:
– Внутридоменные;
– Междоменные.
Наиболее распространенные метрики
• Длина маршрута (кол-во хопов)
• Надежность – степень отказоустойчивости
(кол-во ошибок к общему числу
переданных бит)
• Пропускная способность канала
• Задержка – время продвижения пакета до
пункта назначения или время обработки на
маршрутизаторе
• Физическое расстояние между узлами
• Стоимость связи
Протоколы обмена маршрутной
информацией
• RIP
• OSPF
Протоколы обмена маршрутной
информацией
• Протокол маршрутной информации
(Routing Information Protocol) — один из самых
простых протоколов маршрутизации.
• Применяется в небольших компьютерных сетях,
позволяет маршрутизаторам динамически обновлять
маршрутную информацию (направление и дальность
в хопах), получая ее от соседних маршрутизаторов.
• Помимо версии RIP для сетей TCP/IP, существует также
версия RIP для сетей IPX/SPX компании Novell.
• RIP —протокол дистанционно-векторной маршрутизации,
который оперирует хопами (ретрансляционными
скачками) в качестве метрики маршрутизации.
Описание протокола
• RIP —протокол дистанционно-векторной маршрутизации,
который оперирует хопами в качестве метрики маршрутизации.
• Максимальное количество хопов, разрешенное в RIP, — 15
(метрика 16 означает «бесконечно большую метрику»).
• Каждый RIP-маршрутизатор по умолчанию вещает в сеть свою
полную таблицу маршрутизации раз в 30 секунд, генерируя
довольно много трафика на низкоскоростных линиях связи.
• RIP работает на прикладном уровне стека TCP/IP, используя
UDP порт 520.
• Ограничение на 15 хопов не дает применять его в больших
сетях. Преимущество этого протокола — простота
конфигурирования.
Инкапсуляция RIP сообщения в UDP
дейтограмму
Формат RIP сообщения
•
•
•
Команда: 1- запрос, 2- ответ.
Семейство адресов : для TCP/IP -2.
Показатель – это метрика.
Формат RIP сообщения
• Домен маршрутизации - это идентификатор маршрутизирующего
демона, которому принадлежит этот пакет.
• Признак маршрута – маршрутная метка.
Алгоритм обновления RIP-таблицы
Используется алгоритм Беллмана — Форда.
• Получение RIP-сообщения
• Увеличение метрики для каждой записи сообщения на 1
• Сравнение записей RIP-сообщения и существующей RIPтаблицы:
– Если метрика в сообщении меньше метрики в RIP-таблице, то
запись обновляется (записывается новая метрика и новый
маршрутизатор);
– Если записи с доступным маршрутом нет, то запись
добавляется;
– В любом другом случае – запись из RIP-сообщения
игнорируется.
Пример RIP-системы
• Протокол производит
широковещательную
рассылку.
М1
B
A
F
E
М2
G
М4
М3
C
D
М5
• Вектор расстояний –
совокупность пар
значений:
– Идентификатор сети;
– Расстояние до сети.
Начальное состояние маршрутных таблиц
для M1 и M5
М1
B
A
F
E
М2
G
Расстояние до
сети
Следующий
маршрут
A
1
M1
B
1
M1
F
1
M1
Сеть
назначения
Расстояние до
сети
Следующий
маршрут
C
1
M5
B
1
M5
М4
М3
C
Сеть
назначения
D
М5
Полное состояние маршрутной
таблицы для M1
М1
B
A
F
E
М2
G
М4
М3
C
D
М5
Сеть
назначения
Расстояние
до сети
Следующий
маршрут
A
1
M1
B
1
M1
С
2
M2
D
2
M4
E
2
M3
F
1
M1
G
2
M3
Состояние маршрутной
таблицы M1 при обрыве связи
М1
B
A
E
М2
F
G
М4
М3
C
D
М5
Сеть
назначения
Расстояние
до сети
Следующий
маршрут
A
1
M1
B
1
M1
С
2
M2
D
2
M4
E
16
M3
F
16
M1
G
16
M3
Состояние маршрутной
таблицы M1 при обрыве связи
М1
B
A
E
М2
F
G
М4
М3
C
D
М5
Сеть
назначения
Расстояние
до сети
Следующий
маршрут
A
1
M1
B
1
M1
С
2
M2
D
2
M4
E
2
M2
F
3
M2
G
3
M2
Ограничения протокола RIP
• Протокол RIP не обеспечивает решение всех возможных
проблем, которые могут возникнуть в процессе
определения маршрута в сетях передачи данных:
– ограничение максимальной длины маршрута;
– зацикливание маршрутов;
– формат метрики простой, что не всегда обеспечивает выбор
оптимального маршрута.
• Протокол предназначен для использования в качестве IGP
в гомогенных сетях небольшого размера.
• Использование данного протокола приводит к появлению
специфических ограничений на параметры сети, в которой
он может быть использован.
OSPF
•
OSPF (Open Shortest Path First) — протокол динамической маршрутизации,
основанный на технологии отслеживания состояния канала и использующий
для нахождения кратчайшего пути Алгоритм Дейкстры.
•
Протокол OSPF был разработан в 1988 году. Последняя версия протокола
представлена в RFC 2328.
•
Протокол OSPF представляет собой протокол внутреннего шлюза (Interior
Gateway Protocol — IGP). Протокол OSPF распространяет информацию о
доступных маршрутах между маршрутизаторами одной автономной системы.
•
OSPF предлагает решение следующих задач:
–
–
–
–
–
–
Увеличение скорости сходимости (в сравнении с протоколом RIP2, так как нет необходимости
выжидания многократных тайм-аутов по 30с);
Поддержка сетевых масок переменной длины (VLSM);
Достижимость сети (быстро обнаруживаются отказавшие маршрутизаторы);
Оптимальное использование пропускной способности (т.к строится минимальный остовный граф
по алгоритму Дейкстры);
Динамическое перераспределение трафика между параллельными каналами, которое
выполняется пропорционально степени загруженности этих каналов;
Метод выбора пути.
Выделенные области маршрутизации OSPF
•
Маршрутизаторы М4 и М2 выполняют функция опорной сети
для других областей. В выделенных областях может быть любое
число маршрутизаторов. Более толстыми линиями выделены
связи с другими сетями.
Типы маршрутизаторов
• Внутренний маршрутизатор (internal router) — маршрутизатор все
интерфейсы которого принадлежат одной зоне. У таких
маршрутизаторов только одна база данных состояния каналов.
• Пограничный маршрутизатор (area border router, ABR) — соединяет
одну или больше зон с магистральной зоной и выполняет функции
шлюза для межзонального трафика. У пограничного маршрутизатора
всегда хотя бы один интерфейс принадлежит магистральной зоне. Для
каждой присоединенной зоны маршрутизатор поддерживает
отдельную базу данных состояния каналов.
• Магистральный маршрутизатор (backbone router) — маршрутизатор у
которого всегда хотя бы один интерфейс принадлежит магистральной
зоне. Определение похоже на пограничный маршрутизатор, однако
магистральный маршрутизатор не всегда является пограничным.
Внутренний маршрутизатор интерфейсы которого принадлежат
нулевой зоне, также является магистральным.
• Пограничный маршрутизатор автономной системы (AS boundary
router, ASBR) — обменивается информацией с маршрутизаторами
принадлежащими другим автономным системам. Пограничный
маршрутизатор автономной системы может находиться в любом месте
автономной системы и быть внутренним, пограничным или
магистральным маршрутизатором.
Различные типы маршрутизаторов OSPF
•
•
•
•
Internal Router - IR
Area Border Router - ABR
Backbone Router - BR
AS Boundary Router - ASBR
Описание работы протокола
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Маршрутизаторы обмениваются hello-пакетами через все интерфейсы, на которых активирован
OSPF. Маршрутизаторы, разделяющие общий канал передачи данных, становятся соседями, когда
они приходят к договоренности об определённых параметрах, указанных в их hello-пакетах.
На следующем этапе работы протокола маршрутизаторы будут пытаться перейти в состояние
смежности с маршрутизаторами, находящимися с ним в пределах прямой связи (на расстоянии
одного хопа). Переход в состояние смежности определяется типом маршрутизаторов,
обменивающихся hello-пакетами, и типом сети, по которой передаются hello-пакеты. Пара
маршрутизаторов, находящихся в состоянии смежности, синхронизирует между собой базу данных
состояния каналов.
Каждый маршрутизатор посылает объявление о состоянии канала маршрутизаторам, с которыми он
находится в состоянии смежности.
Каждый маршрутизатор, получивший объявление от смежного маршрутизатора, записывает
передаваемую в нём информацию в базу данных состояния каналов маршрутизатора и рассылает
копию объявления всем другим смежным с ним маршрутизаторам.
Рассылая объявления через зону, все маршрутизаторы строят идентичную базу данных состояния
каналов маршрутизатора.
Когда база данных построена, каждый маршрутизатор использует алгоритм «кратчайший путь
первым» для вычисления графа без петель, который будет описывать кратчайший путь к каждому
известному пункту назначения с собой в качестве корня. Этот граф — дерево кратчайших путей.
Каждый маршрутизатор строит таблицу маршрутизации из своего дерева кратчайших путей.
Метрика
• Учитывает следующие параметры:
–
–
–
–
–
пропускная способность канала
величина задержки распространения сигнала в канале
надежность канала
загруженность канала
размер максимального блока данных, который может быть
передан через данный канал
Базы данных маршрутизаторов OSPF
• База данных отображает текущую структуру
информационных связей в рассматриваемой области
маршрутизации.
• Базы данных должны быть идентичными у всех
маршрутизаторов, которые расположены в пределах
одной области.
• Базы данных состоят из сообщений и формируются всеми
активными маршрутизаторами данной области.
Активным в данном случае считается маршрутизатор,
который имеет хотя бы один подключенный канал в
данной области.
Сообщения LSA
• LSA (Link State Advertisement) – блок данных, который содержит
информацию о состоянии маршрутизатора или сети.
• Совокупность таких LSA формирует базу данных маршрутизации в
каждом из маршрутизаторов, создаются при каждом изменении
состояния канала и передаются всеми маршрутизаторами данной
области методом затопления.
• Для формирования базы данных используются различные типы LSA:
–
–
–
–
LSA типа 1 – router link advertisement
LSA типа 2 – network link advertisement
LSA типа 3, 4 – summary link advertisement
LSA типа 5 – external link advertisement
Формат заголовка сообщений
•
•
•
•
•
Поле версия определяет версию протокола (= 2). Поле тип идентифицирует функцию
сообщения.
Поле длина пакета определяет длину блока в октетах, включая заголовок.
Идентификатор области - 32-битный код, идентифицирующий область, которой данный пакет
принадлежит. Все OSPF-пакеты ассоциируются с той или иной областью. Большинство из них не
преодолевает более одного шага.
Поле контрольная сумма содержит контрольную сумму IP-пакета, включая поле типа
идентификации.
Поле тип идентификации может принимать значения 0 при отсутствии контроля доступа, и 1
при наличии контроля.
Коды поля тип
Тип
Значение
1
Hello (используется для проверки доступности
маршрутизатора).
2
Описание базы данных (топология).
3
Запрос состояния канала.
4
Изменение состояния канала.
5
Подтверждение получения сообщения о статусе канала.
Формат сообщения hello
Сообщение о маршрутах
Другие протоколы маршрутизации
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
IGRP — Interior Gateway Routing Protocol
BGP — Border GateWay Protocol
EIGRP — Enhanced Interior Gateway Routing Protocol
AODV — Ad hoc On-Demand Distance Vector (для мобильных сетей)
IS-IS — Intermediate System to Intermediate System (стек OSI)
OSPF — Open Shortest Path First
NLSP — NetWare Link-Services Protocol (стек Novell)
HSRP и CARP — протоколы резервирования шлюза в Ethernet-сетях
OLSR — Optimized Link-State Routing
TBRPF
EGP — Exterior Gateway Protocol
BGP — Border Gateway Protocol
IDRP