Лекция 3: сетевые технологии и интернет услуги

Коммутаторы и маршрутизаторы

Устройства коммутации, работающие на уровне локальной сети LAN, и передающие пакеты по их адресу внутри сети LAN называются коммутаторами (switch). Иногда их могут называть «мостами» (bridge). Сети LAN также называют сетями Ethernet.
Устройства коммутации пакетов, работающие на уровне IP, называются маршрутизаторами. Эти устройства передают пакеты на основании их IP-адресов. Соответственно, их таблицы передачи называются таблицами маршрутизации (routing table). Они работают в сетях IP, объединяющих локальные сети Ethernet.
В таблицах маршрутизации в граничных маршрутизаторах на локальных сетях (сайтах) конечных пользователей обычно содержится запись, которая подходит для всех возможных IP-адресов, которые не принадлежат этому сайту, и поэтому пакеты с таким адресом назначения нужно отправлять во внешний Интернет.

Топология сети

В сети из двух коммутаторов, показанной выше, нет никаких петель. В теории графов такую сеть определили бы как сеть с топологией «дерево» (Tree). В такой сети между каждыми двумя узлами сети существует только один путь. Поэтому таблицы передачи для таких сетей легко составляются и никаких двусмысленностей по поводу того, куда дальше передавать пакет, в них не возникает.
Однако, в таких сетях нет «избыточности» (redundancy), то есть нет запасных путей на тот случай, если какой-то путь вдруг окажется неисправным. При этом, между какими-то двумя узлами неисправного пути передавать данные будет невозможно. Поэтому при построении сети в них обычно добавляют альтернативные маршруты, чтобы в случае отказа какого-то пути, пакеты можно было передать по другому маршруту. Это, конечно, усложняет таблицы маршрутизации.
Сетям Ethernet, как известно, присуща проблема масштабирования, то есть, увеличивать число узлов и пользователей в такой сети до бесконечности нельзя.
Чтобы решить эту проблему был разработан протокол Интернет, протокол межсетевого взаимодействия IP (Internet Protocol). То есть (и это очень важно подчеркнуть), Интернет вначале совсем не планировался тем, чем он стал спустя годы. Вначале это было просто средство связи и обеспечения взаимодействия нескольких локальных сетей между собой и расширения их масштабов.
Возможно, основной задачей разработки IP-сети была возможность универсальной коннективности: любой узел сети может связаться с любым другим узлом, таким образом, чтобы число узлов можно было увеличивать практически бесконечно. В 2013 году число узлов в сети Интернет составило около 10⁹ узлов, причем, таблицы маршрутизации в узлах были ещё далеки от умопомрачительных размеров: самые большие из них содержать до 300 тыс. записей, что для средней мощности IP-маршрутизатора – вполне нормально.



Рис. 5-1. Визуальное представление сети Интернет.
В первые годы сети IP рассматривались как «межсетевые сети» (“internetworks”), или базовые сети. Сейчас пользователи практически не замечают локальные сети LAN и воспринимают Интернет как одну большую (виртуальную) сеть. Для обеспечения универсальной коннективности, IP-протокол обеспечивает глобальный механизм адресации и маршрутизации пакетов с одного узла сети на другой.
IP-адрес пакета четвёртой версии (IPv4) имеет 32 бита в адресной части заголовка пакета. За ним следует заголовок Ethernet. Этот заголовок остаётся в пакете только во время его первого «хопа» (передачи на ближайший к узлу маршрутизатор), а заголовок IP сохраняется в пакете во время всего путешествия через сеть Интернет. Адресная часть IP-протокола шестой версии IPv6 содержит уже 128 битов адреса, что, очевидно, приводит к гораздо более высокому возможному числу адресуемых в Интернет конечных устройств (узлов).
Как адрес IPv4, так и IPv6, содержат часть префикса (сетевая часть) и часть узла (host). Таким образом, определяются размеры адресуемых сетей

Протокол TCP (Transmission Control Protocol) передаёт пакеты данных по межсетевым соединениям (Интернет), устанавливает и разрывает соединения между сетевыми устройствами.