Межсетевой Протокол – IP. Заголовок IP- пакета. Фрагментация.

Стек TCP/IP не подразумевает использования каких-либо определенных протоколов уровня доступа к среде передачи и физических сред передачи данных. От уровня доступа к среде передачи требуется наличие интерфейса с модулем IP, обеспечивающего передачу IP-пакетов. Также требуется обеспечить преобразование IP-адреса узла сети, на который передается IP-пакет, в MAC-адрес.

Основу межсетевого уровня (уровня межсетевого взаимодействия) составляет IP-протокол:

• Первый стандарт IPv4 определен в RFC-760 (1980 г.).

• Первый стандарт IPv6 определен в RFC-1883 (1995 г.).

• Последняя версия IPv6 – RFC-2460 (Internet Protocol, Version 6 Specification, S. Deering, R. Hinden, December 1998).

Пакет, передаваемый по сети Internet, называют IP-дейтаграммой или IP-пакетом. Межсетевой протокол IP является дейтаграммным протоколом без установления соединения, не обеспечивающим надежную доставку пакетов.

Основными функциями протокола IP являются:

• перенос между сетями различных типов адресной информации в унифицированной форме;

• сборка и разборка пакетов при передаче их между сетями с различным макс. значением длины пакета.

Основными характеристиками протокола IP являются:

• не гарантируется доставка пакетов получателю;

• по пути следования пакет может быть утерян, продублирован, задержан;

• пакеты могут быть доставлены с нарушением порядка следования.

Для доставки пакетов не требуется предварительного установления соединения (т.е. пути следования пакетов), так как каждый пакет считается независимым от остальных. Поэтому пакеты от отправителя до получателя могут проходить по разным маршрутам.

В протоколе IP применяют четыре основных механизма для обеспечения межсетевых услуг: вид обслуживания, время жизни, контрольная сумма заголовка, дополнительные возможности (опции).

Вид обслуживания используется для указания требуемого качества обслуживания межсетевой дейтаграммы (МД) при её передаче через межсетевую систему.

Время жизни является указателем верхней границы времени существования некоторой межсетевой дейтаграммы в сети. Этот указатель задаётся отправителем и уменьшается по мере движения МД по точкам маршрута (по шлюзам), если время МД становится нулевым до того, как она достигнет получателя, то эта дейтаграмма уничтожается.

Контрольная сумма заголовка обеспечивает защиту данных в нём, если модуль обнаруживает ошибку в заголовке, то эта МД уничтожается модулем, который её обнаружит.

Дополнительные возможности обеспечивают выполнение некоторых дополнительных услуг, например, по защите данных, специальной маршрутизации.

В заголовок IP-пакета включен набор правил, обеспечивающих доставку пакета данных получателю. В этих правилах оговариваются способы обработки пакетов узлами сети и маршрутизаторами, а также условия, при возникновении которых должны генерироваться сообщения об ошибке, а пакеты удаляться из сети.

Протокол IP явл. основным протоколом сетевого уровня в IP сетях. Он управляет маршрутизацией пакетов. Управление осуществляется управляющими пакетами, построенными по протоколу ICMP (internet control messages protocol межсетевой протокол контроля сообщений). IP состоит из заголовка и поля данных. Заголовок (длина 20 байт) имеет следующие поля в составе:

1. номер версии (размер 4 бита) указывает версию IP протокола

2. длина заголовка (4 бита) указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах, обычно имеет длину 20 байт

3. тип сервера (занимает 1 байт) и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута; первые три бита образуют подполе приоритета пакета: от самого низкого 0 – нормальный пакет до пакета управляющей информации 7; приоритетность учитывается при обработке пакетов; вторые три бита определяют критерии выбора маршрута: малая задержка, высокая достоверность, высокая пропускная способность

4. общая длина (2 байта) означает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных; МАХ длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65535 байт

5. идентификатор пакета (2 байта) используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета; все фрагменты должны иметь одинаковые значения этого поля

6. флаги (3 бита) содержат признаки, связанные с фрагментацией; установленный бит DF запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а бит MF говорит о том, что данный пакет является промежуточным, но не последним; последний бит зарезервирован

7. смещение фрагмента (13 бит) задаёт смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации; смещение должно быть кратно 8 байтам

8. время жизни (1 байт) означает определённый срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети; измеряется в секундах; задаётся источник передач; на маршр-ах и в др. узлах сети по истечении каждой сек из текущего времени вычитается 1; если параметр время жизни станет 0-м до того, как пакет достигнет получателя, он будет уничтожен

9. протокол (1 байт) указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит информация, размещенная в поле данных пакета

10. контрольная сумма (2 байта) рассчитывается только по заголовку;

12. адрес отправителя имеют одинаковую длину 32 бита и структуру

13. опции ( доп. параметры) явл. не обязательными; исп-ся обычно при отладки сети; может указываться точный маршрут прохождения, временные отметки, данные системы безопасности; т.к. число подполей м.б. произвольным, то в конце поля должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе

14. выравнивание исп-ся для того, чтобы убедиться, что IP-заголовок заканчивается на 32-битной границе; выравнивание осуществляется 0-ми.

IP протокол реализует операции сборки и разборки пакетов, связанные с использованием сетей, в которых применяются форматы меньших длин, чем в пакетах получаемых от транспортного уровня. Формат IP-пакета согласуется с форматами пакетов используемых сетей.

Части, на которые разделяется дейтаграмма (IP-пакет), называются фрагментами, а сам процесс разделения - фрагментацией.

Протоколы транспортного уровня (протоколы TCP или UDP), пользующиеся сетевым уровнем для отправки пакетов, считают, что максимальный размер поля данных IP-пакета равен 65535, и поэтому могут передать ему сообщение такой длины для транспортировки через интерсеть. В функции уровня IP входит разбиение слишком длинного для конкретного типа составляющей сети сообщения на более короткие пакеты с созданием соответствующих служебных полей, нужных для последующей сборки фрагментов в исходное сообщение.

В большинстве типов локальных и глобальных сетей определяется такое понятие как максимальный размер поля данных кадра или пакета, в которые должен инкапсулировать свой пакет протокол IP. Эту величину обычно называют максимальной единицей транспортировки - MTU (Maximum Transfer Unit). Сети Ethernet имеют значение MTU, равное 1500 байт, сети FDDI - 4096 байт, а сети Х.25 чаще всего работают с MTU в 128 байт.

Рассмотрим работу протокола IP по фрагментации пакетов в хостах и маршрутизаторах

1. Простая марш-я при выборе дальнейшего пути для сооб-я (пакета) учитывает лишь статич. априорное состояние сети, ее текущее сост-е – загрузка и измен-е топологии из-за отказов – не учит-ся. Одно из направ-й простой маршр-и – лавинное отправление сооб-я сразу по всем свободным каналам.

2. Фиксир-я маршр-я учитывает только изменение топологии сети. Для каждого узла назначения канал передачи выбирается по электр. таблице маршрутов, определяющей кратчайшие пути и время доставки инф-и до пункта назн-я. Эта маршр-я исп-ся в сетях с установившейся топологией.

3. Адаптивная марш-я учитывает и изменение загрузки, и изменение топологии сети. При выборе маршрута инф-я из таблицы маршрутов дополняется данными о работосп-ти и занятости каналов связи, оперативной инф-ей о сущ. очереди пакетов на каждом канале. В локальном варианте этой маршрутизации учитываются данные только о каналах, исходящих из текущего узла, а при распределенной адаптивной маршрутизации и данные, получаемые от соседних узлов коммутации.

Маршрутизаторы они получают сообщения из одного участка сети, определяют получателя сообщения и передают это сообщение на другой участок сети. Они широко используются и в качестве межсетевого интерфейса, обеспечивая соединение сетей на более высоком уровне, нежели мосты, ибо им доступна информация о структуре сети и связях ее элементов между собой. Маршрутизаторы обычно создаются на базе одного или нескольких процессоров и имеют специализированную операционную систему.

Концентраторы также используются для коммутации каналов в компьютерных сетях. В сетях основные функции концентратора заключаются в повторении сигналов (повторитель) и концентрировании в себе, (концентратор) как в центральном устройстве, функций объединения компьютеров в единую сеть. Их часто называют хабами или многопортовыми повторителями. Концентратор образует из подключенных к его портам отдельных физических сегментов сети общую среду передачи данных – некий логический сегмент, обладающий всеми функциями физического. Концентраторы-хабы могут быть трех типов:

· пассивными, просто соединяющими сегменты сети одного типа, ничего нового не добавляя;

· активными, которые кроме соединения сегментов выполняют и усиление (регенерирование) сигналов (они, как и повторители, позволяют увеличить растояние между соединяемыми устройствами);

· интеллектуальными, дополнительно к функциям активных хабов выполняющие маршрутизацию сигналов по сегментам (посылают данные только в те сегменты, для которых они предназначена) и обеспечивающие некоторые сервисные технологии, например защиту информации от несанкционированного доступа, самодиагностику и автоматическое отключение плохо работающих портов и т. д.

Модем (Модулятор-ДЕМодулятор) – устройство прямого (модулятор) и обратного (демодулятор) преобразования сигналов к виду, принятому для использования в определенном канале связи.

Модемы бывают аналоговые и цифровые. Аналоговые модемы самые распространенные. Первоначально аналоговый модем был предназначен для выполнения следующих функций:

1) при передаче для преобразования широкополосных импульсов (цифрового кода) в узкополосные аналоговые сигналы);

2) при приеме для фильтрации принятого сигнала от помех и детектирования, то есть обратного преобразования узкополосного аналогового сигнала в цифровой код.

Преобразование, выполняемое при передаче данных, обычно связано с их модуляцией.

Модуляция — это изменение какого-либо параметра сигнала в канале связи (модулируемого сигнала) в соответствии с текущими значениями передаваемых данных (модулирующего сигнала).

Демодуляция — это обратное преобразование модулированного сигнала (возможно, искаженного помехами при прохождении в канале связи) в модулирующий сигнал. В современных модемах используются чаще всего три вида модуляции:

3) квадратурная амплитудная – QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

При частотной модуляции в соответствии с текущими значениями модулирующего сигнала (передаваемых данных) изменяется частота физического сигнала (обычно синусоидального) при неизменной его амплитуде. В простейшем случае значениям 1 и 0 бит данных соответствуют два значения частот, например 980 и 1180 Гц, как было принято в одном из первых протоколов V.21 передачи данных. Частотная модуляция весьма помехоустойчива, ибо при передаче искажается обычно лишь амплитуда сигнала.

При фазовой модуляции модулируемым параметром является фаза сигнала при неизменных частоте и амплитуде; помехоустойчивость фазомодулированного сигнала также высокая.

При чистой амплитудной модуляции сигнала его защищенность от помех крайне низкая, поэтому применяют более помехоустойчивую, но и более сложную квадратурную амплитудную модуляцию, при которой в такт передаваемым данным изменяются одновременно и фаза, и амплитуда сигнала.

Передача данных и их преобразования в модемах выполняются в соответствии с принятыми протоколами.

Протокол передачи данных – это совокупность правил, регламентирующих формат данных и процедуры их передачи в канале связи. В протоколе, в частности, может подробно указываться, как представить данные, какой способ модуляции данных избрать с целью ускорения и защищенности их передачи, как выполнить соединение с каналом, преодолеть действующие в канале шумы и обеспечить достоверность передачи данных. (V.21, V.22, V.21 bis и т.д.)

Хотя при фильтрации сигнала, выполняемой при демодуляции, помехозащищенность повышается, этого оказалось недостаточно для эффективного подавления ошибок передачи данных, возникающих из за помех и шумов в каналах связи. Поэтому в середине 80-х годов были предложены более действенные протоколы защиты от ошибок семейства MNP (Microcom Network Protocol), используемые в большинстве современных модемов. Эти протоколы основаны на использовании корректирующих кодов с обнаружением и исправлением ошибок, поэтому модемы существенно усложнились. Этими же протоколами предусмотрено дальнейшее совершенствование модемов, связанное с внедрением в них функции сжатия данных, позволившей существенно поднять скорость передачи данных.

Протоколы семейства NMP-1-NMP-10 в последние годы стали вытесняться протоколами LAPM (Link Access Procedure for Modem), V.42, V.42bis, позволяющими более эффективно выполнять коррекцию ошибок и сжатие данных. Стандарт V.90 предусматривает выполнение тестирования канала связи, позволяющего определить оптимальный для него режим работы модемов (несущая частота, полоса пропускания, скорость передачи, уровень передаваемого сигнала). Сейчас заканчивается разработка нового протокола V.92, который, не увеличивая скорость приема данных (56 кбит/с – теоретический предел), поднимает максимальную скорость передачи данных до 48 кбит/с. Для передачи файлов установлены свои протоколы, регламентирующие дополнительно процедуры разбиения информации на блоки, использования кодов с автоматическим обнаружением и исправлением ошибок, повторной пересылки неверно принятых блоков, восстановления передачи после обрыва и т.д.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: