Сетевой уровень

Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать различные технологии передачи и обладать произвольной топологией. В общем случае функции данного уровня шире, так как он решает еще и задачи создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями, отвечает за деление абонентов на группы и маршрутизацию на транспортной сети. В последнем случае в его функции входит формирование физических и виртуальных каналов, а также дейтаграмм, обеспечивая распределение маршрутов передачи информации и правильную сборку сообщений из сетевых единиц. На этом уровне сетевой единицей является пакет, а для его доставки используется понятие «номер сети». При пакетной передаче сетевой уровень обеспечивает передачу пакетов между несколькими сетями на основе преобразования МАС-адресов в сетевые адреса и прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень, осуществляя:

• адресацию сообщений и перевод логических адресов и имен в физические адреса;

• установление маршрута от исходящего устройства до устройства назначения, определяя, какой путь передачи данных следует избрать, основываясь на особенностях сети, приоритетности данной услуги и некоторых других факторах;

• решение проблем графика в сети, включая переключение пакетов, маршрутизацию и контроль перегрузки линии передачи данных.

На сетевом уровне сам термин "сеть" наделяют специфическим значением. В данном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии. Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связей между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в протоколах канального уровня.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями, или хопов (от слова hop — прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.

На рис. 5 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами. Между узлами А и В данной сети пролегает два маршрута: первый — через маршрутизаторы 1 и 3, а второй — через маршрутизаторы 1, 2 и 3.

Рис. 5. Пример составной сети

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь — не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может с течением времени изменяться. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, таким как надежность передачи.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой уровень также решает задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packet). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие "номер сети". В этом случае адрес получателя состоит из старшей части — номера сети и младшей — номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину "сеть" на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное, определение: сеть – это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети.

На сетевом уровне определяется несколько типов протоколов. Первый тип – сетевые протоколы (routed protocols), которые реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой тип протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршрутизации (routing protocols). С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов. Маршрутизаторы поддерживают динамические протоколы маршрутизации. В некоторых операционных системах (например, в Windows 2000) протоколы динамической маршрутизации можно использовать на компьютере, выполняющем функции маршрутизатора. Наибольшее распространение в IP технологии получили протоколы динамической маршрутизации RIP (Routing Information Protocol) версий 1 или 2 и OSPF (Open Shortest Path First). В технологии IPX используется протокол динамической маршрутизации NLSP (NetWare Link Service Protocol). Он работает аналогично протоколу OSPF.

На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов – Address Resolution Protocol (ARP). Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют сути. Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия – Internet Protocol (IP) стека TCP/IP, процедуры контроля вызова ISDN Х.25 (частично этот протокол реализован на канальном уровне), протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell, сетевой протокол без организации соединений ISO Connectionless Network Protocol (CLNP) и др.