Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

Чтобы не усложнять и без того непростой пример протокола, мы не углуб­ляемся в детали управления таймером. Вместо этого мы просто предполагаем, что при наступлении тайм-аута переменной oldest_frame присваивается номер фрейма, интервал времени которого истек.

3.5. Практическое использование протоколов канального уровня

Для связи компьютеров в пределах одного здания широко применяются локальные сети, однако большинство глобальных сетей построено на линиях «точка-точка». С локальными сетями мы познакомимся в главе 4. Здесь рассмотрим три наиболее распространенных случая использования протоколов канального уровня в двухточечных каналах интернета. Первый случай — передача пакетов по оптоволоконным каналам SONET. Такие каналы широко применяются, например, для соединения маршрутизаторов, установленных в разных концах сети провайдера. Вторым примером является использование каналов ADSL в пределах локального абонентского шлейфа телефонной сети. Наконец, мы обсудим применение каналов DOCSIS в пределах локального шлейфа кабельной сети — с их помощью к интернету подключаются миллионы отдельных пользователей и компаний.

Чтобы установить такие типы соединений, требуются не только двухточечные каналы, но также телефонные и кабельные модемы, арендованные линии и т.д. Для пересылки пакетов используется стандартный протокол двухточечного соединения PPP (Point-to-Point Protocol). PPP описан в стандарте RFC 1661 и доработан в более поздних документах: RFC 1662 и др. (Симпсон; Simpson, 1994a, 1994b). В каждой из трех разновидностей каналов — SONET, ADSL и DOCSIS — он применяется по-разному.

3.5.1. Передача пакетов по каналам SONET

SONET, с которым мы познакомились в разделе 2.5.3, — это протокол физического уровня, наиболее часто используемый в оптоволоконных каналах, которые составляют магистраль различных коммуникационных сетей, включая телефонную. SONET обеспечивает строго определенную скорость передачи данных (например, 2,4 Гбит/с в канале OC-48). Поток битов организован в виде пакетов фиксированного размера, которые посылаются каждые 125 мкс, независимо от наличия в них пользовательских данных.

Чтобы передавать пакеты по таким каналам, необходим некоторый механизм формирования фреймов, способный отличать возникающие иногда пакеты от непрерывного потока битов, в котором они передаются. Для этого на IP-маршрутизаторах работает протокол PPP, как показано на илл. 3.23.

Илл. 3.23. Передача пакета по каналам SONET. (а) Стек протоколов. (б) Взаимоотношения между фреймами

PPP — это улучшенный вариант более простого интернет-протокола для последовательной линии SLIP (Serial Line Internet Protocol). Он обнаруживает ошибки, поддерживает несколько протоколов, разрешает аутентификацию и выполняет ряд других задач. Благодаря широкому набору параметров PPP может использоваться в качестве трех основных методов.

1. Метод формирования фреймов, однозначно обозначающий конец одного фрейма и начало следующего. Формат фреймов также обеспечивает обнаружение ошибок.

2. Протокол управления каналом LCP (Link Control Protocol), позволяющий устанавливать соединения, тестировать их, договариваться о параметрах использования и снова отключать их, когда они не нужны.

3. Способ договориться о параметрах сетевого уровня независимо от используемого в нем протокола. Данный метод состоит в том, что для каждого поддерживаемого сетевого уровня имеется свой сетевой протокол управления NCP (Network Control Protocol).

Чтобы не изобретать велосипед, для PPP был выбран формат фрейма, близкий к формату высокоуровневого протокола управления каналом HDLC (High-level Data Link Control), некогда популярного представителя раннего семейства протоколов.

В отличие от бит-ориентированного протокола HDLC, PPP является байт-ориентированным. В частности, в PPP применяется байт-стаффинг, поэтому все фреймы состоят из целого числа байтов. HDLC использует бит-стаффинг; это позволяет отправить фрейм размером, к примеру, 30,25 байта.

Существует второе важное отличие. HDLC предоставляет надежную передачу за счет метода «раздвижного окна», подтверждений и тайм-аутов, как мы видели выше. PPP также может обеспечить надежность в зашумленной среде, например в беспроводных сетях; детали определены в стандарте RFC 1663. Однако на практике это применяется редко. Вместо этого для предоставления службы без установки соединения и без подтверждений в интернете применяется ненумерованный режим.

Формат фрейма PPP показан на илл. 3.24. Все PPP-фреймы начинаются со стандартного флагового байта протокола HDLC 0x7E (01111110). Если этот байт встречается в поле Payload, он предваряется управляющим байтом 0x7D, а следующий за ним представляет собой экранированный байт, сложенный по модулю 2 со значением 0x20 (при этом переключается пятый бит). Например, 0x7D 0x5E — это управляющая последовательность для флагового байта 0x7E. Это означает, что начало и конец фрейма можно найти, просто просканировав содержимое на наличие байта 0x7E. Больше он нигде встречаться не будет. Правило удаления заполняющих битов при получении — найти значение 0x7D, удалить его, а следующий байт сложить по модулю 2 со значением 0x20. Кроме того, между фреймами необходим только один флаговый байт. Несколько флаговых байтов могут применяться для заполнения канала при отсутствии фреймов данных для отправки получателю.

Илл. 3.24. Полный формат фрейма PPP для работы в ненумерованном режиме

После стартового фрейма идет поле Address (Адрес), которому всегда присваивается двоичное значение 11111111; это означает, что все станции должны принимать этот фрейм. Использование такого значения позволяет избежать необходимости назначать адреса передачи данных.

За полем адреса следует поле Control (Управляющее поле), его значение по умолчанию равно 00000011. Это число означает ненумерованный фрейм.

Так как по умолчанию поля Address и Control являются константами, протокол LCP позволяет двум сторонам договориться о возможности пропустить оба поля и сэкономить таким образом по 2 байта на фрейм.

Четвертое поле фрейма PPP — Protocol (Протокол). Оно определяет тип пакета, который содержится в поле Payload. Номера, начинающиеся с бита 0, отведены для IP версий 4 и 6, а также других протоколов сетевого уровня, таких как IPX и AppleTalk. С бита 1 начинаются коды, используемые в конфигурационных протоколах PPP, включая LCP и различные NCP для каждого поддерживаемого протокола сетевого уровня. Размер поля Protocol по умолчанию составляет 2 байта, однако путем переговоров с помощью LCP он может быть уменьшен до одного байта. Вероятно, разработчики перестраховались на случай, если когда-либо будет использоваться более 256 протоколов.

Поле Payload может быть переменной длины, вплоть до некоторого оговоренного максимального значения. Если размер не определен во время установки соединения при помощи LCP, то по умолчанию используется длина 1500 байт. При необходимости данные пользователя могут дополняться специальными символами.

Следом за Payload располагается поле Checksum (Контрольная сумма). В обычном состоянии оно занимает 2 байта, но в случае необходимости по договоренности может занимать четыре. Четырехбайтная контрольная сумма фактически представляет собой 32-битный код CRC, образующий многочлен которого представлен в конце раздела 3.2.2. Двухбайтная контрольная сумма также является стандартным кодом CRC.

Итак, PPP — это механизм формирования фреймов,