он функционирует (илл. 5.1). Основными компонентами сети являются устройства интернет-провайдера (ISP) — маршрутизаторы, коммутаторы и промежуточные узлы, соединенные линиями связи (они показаны на рисунке в сером овале), а также устройства пользователя (находятся вне овала). Хост H1 напрямую соединен с одним из маршрутизаторов провайдера А (это может быть домашний компьютер, подключенный к DSL-модему). Хост H2, напротив, входит в LAN (например, в офисную сеть Ethernet) с маршрутизатором F, принадлежащим клиенту, который с ним работает. Этот маршрутизатор связывается с провайдером по выделенной линии. Мы показали F вне овала, потому что он не принадлежит ISP. Однако в контексте данной главы мы будем считать маршрутизаторы клиента частью сети ISP, поскольку в них применяются те же самые алгоритмы, что и в маршрутизаторах интернет-провайдеров (именно алгоритмы будут основным предметом рассмотрения).

Илл. 5.1. Окружение, в котором функционируют протоколы сетевого уровня

Система работает следующим образом. Хост, у которого есть пакет для передачи, отправляет его на ближайший маршрутизатор — либо в своей LAN, либо провайдеру по двухточечному соединению (например, по каналу ADSL или по линии кабельного телевидения). Там пакет хранится до тех пор, пока не будет принят целиком и не пройдет полную обработку, включая верификацию контрольной суммы. Затем он передается по цепочке маршрутизаторов, которая в итоге приводит к пункту назначения. Такой механизм называется коммутацией пакетов с промежуточным хранением (store-and-forward), и мы уже рассматривали его в предыдущих главах.

5.1.2. Службы, предоставляемые транспортному уровню

Службы для транспортного уровня предоставляются сетевым уровнем посредством интерфейса между ними. Главное — определить, какими должны быть эти службы. Их разработка требует особой аккуратности, и при этом необходимо учитывать следующее:

1. Службы сетевого уровня не должны зависеть от технологии маршрутизатора.

2. Количество, тип и топология имеющихся маршрутизаторов не должны влиять на транспортный уровень.

3. Сетевые адреса, доступные транспортному уровню, должны использовать единую систему нумерации, даже между LAN и WAN.

С учетом этих условий разработчики абсолютно свободны в написании детальной спецификации служб для транспортного уровня. Эта свобода часто перерастает в яростную борьбу между двумя непримиримыми сторонами. В центре дискуссии — вопрос о том, какие службы должен предоставлять сетевой уровень: с установлением соединения или без него.

Один лагерь (представленный интернет-сообществом) заявляет, что работа маршрутизаторов сводится к перемещению пакетов. С этой точки зрения (основанной на сорокалетнем опыте работы с реальными компьютерными сетями) сеть по своей природе ненадежна, независимо от того, как она спроектирована. Хосты должны учитывать это и самостоятельно защищаться от ошибок (то есть заниматься их обнаружением и коррекцией) и управлять потоком.

Из этого следует, что сетевой службе не нужно требовать установления соединения, она должна в основном состоять из примитивов SEND PACKET (отправить пакет) и RECEIVE PACKET (получить пакет). В частности, сюда нельзя включать упорядочивание пакетов и контроль потока — все равно эти действия выполнит хост. Нет смысла выполнять одну и ту же работу дважды. Такое рассуждение — пример применения сквозного принципа (end-to-end argument), оказавшего значительное влияние на формирование интернета (Зальцер и др.; Saltzer et al., 1984). Кроме того, каждый пакет должен содержать полный адрес получателя, так как передача производится независимо от предшествующих пакетов.

Другой лагерь, представленный телефонными компаниями, утверждает, что сеть должна предоставлять надежную службу с установлением соединения. Компании считают, что 100 лет успешного управления телефонными системами по всему миру — серьезный аргумент в их пользу. По их мнению, определяющим фактором является QoS, и без установления соединения в сети очень сложно добиться каких-либо приемлемых результатов, особенно когда дело касается трафика в реальном времени (например, передачи голоса и видео).

Этот спор актуален даже спустя несколько десятилетий. Когда-то самые по­пулярные сети передачи данных (например, X.25 в 1970-х годах и Frame Relay в 1980-х) представляли собой системы, ориентированные на установление соединения. Но с появлением ARPANET и на ранних этапах развития интернета сетевые уровни без установления соединения получили широкое распространение. Сегодня неизменным символом успеха является протокол IP. На его популярность не повлияло даже появление требующей соединения технологии ATM, созданной в 1980-х годах с целью заменить IP; в настоящее время ATM применяется только в отдельных случаях, тогда как IP охватывает все телефонные сети. Однако требования QoS растут, и для интернета разрабатываются инструменты, предполагающие установление соединения. Примеры таких технологий — мультипротокольная коммутация по меткам (мы рассмотрим ее в этой главе) и VLAN (см. главу 4). Обе эти технологии сейчас широко используются.

5.1.3. Реализация службы без установления соединения

Мы рассмотрели два класса служб, которые сетевой уровень может предоставлять своим пользователям. Теперь перейдем к обсуждению его устройства. Возможны два варианта в зависимости от типа службы. Если предоставляется служба без установления соединения, пакеты по отдельности передаются в сеть и их маршруты рассчитываются независимо. При этом никакой предварительной настройки не требуется. В этом случае пакеты часто называют дейтаграммами (datagrams), по аналогии с телеграммами, а сети — дейтаграммными (datagram network). При использовании службы, ориентированной на установление соединения, весь путь от маршрутизатора-отправителя до маршрутизатора-получателя должен быть определен до начала передачи. Такое соединение называется виртуальным каналом (VC, Virtual Circuit), по аналогии с физическими каналами, устанавливаемыми в традиционных телефонных сетях. Сама система называется сетью виртуального канала (virtual-circuit network). В этом разделе мы обсудим дейтаграммные сети; в следующем — сети виртуального канала.

Рассмотрим принцип работы дейтаграммных сетей. Пусть у процесса P1 (илл. 5.2) есть длинное сообщение для Р2. Он передает свое послание транспортному уровню и информирует его о том, что данные необходимо доставить процессу Р2 на хосте Н2. Код транспортного уровня выполняется на хосте Н1; более того, обычно он является частью операционной системы. Заголовок транспортного уровня вставляется в начало сообщения, и в таком виде оно передается на сетевой уровень. Как правило, это просто еще одна процедура операционной системы.

Предположим, что в нашем примере сообщение в четыре раза длиннее максимального размера пакета. Поэтому сетевой уровень должен разбить его на четыре части (1, 2, 3 и 4) и отправить их все поочередно на маршрутизатор А с использованием какого-нибудь протокола двухточечного соединения, например PPP. Здесь в игру вступает провайдер. Каждый маршрутизатор имеет свою внутреннюю таблицу, по которой он определяет дальнейший путь пакета до любого возможного пункта назначения. Каждая запись таблицы состоит из двух полей: адресат и ведущая к нему исходящая линия. Во втором поле могут использоваться только линии, непосредственно соединенные с данным маршрутизатором. Так, например, на илл. 5.2 у маршрутизатора А имеются только две исходящие линии: к В и к С.