OSI

   С первого взгляда в употребляемой терминологии: датаграммы, пакеты, кадры, фреймы, творится полный бардак, следует помнить, что во всех случаях разговор ведется о данных, потоках данных, блоках данных, на физическом уровне это электрические импульсы с фиксированными потенциалами и длинной, часто изображаемые в виде осцилограммы, на логических уровнях это грубо говоря поток нолей и единиц, то есть во всех случаях разговор ведется об одном и том же, от того понятия (при попытке их осмыслить) часто совпадают, но на то и существуют сетевые модели (описательные схемы) дабы развести понятие "данные" применительно к разным уровням (уровням абстакций по средствам инкапсуляции, верхних в нижние и декапсуляции в обратную сторону). В результате на канальном уровне IP "дейтаграмма" которая смогла поместиться в "кадр"(что далеко не всегда происходит), становится "кадром, фреймом", если не помещается то происходит фрагментация до установленного MTU (и вот тут не плохая статья по этому поводу) и четкой границы по смене определений нет и быть не может (да и зачем, так веселей). Вообщем формализация понятия "данные" в "сетях передачи данных", на каждом этапе их трансформации процесс не однозначный. Итого:

• • пакты чаще относят к транспортному уровню (хотя это спорно, термин "пакет" употребляется где ни попадя и в разных сочетаниях)

  • дейтаграммы к сетевому, транспортному (сегменты)

  • кадры к канальному (однозначно, наверно..)

PS: Как сообщает нам т.Олифер с супругой: "не стоит относиться к путанице в терминологии очень строго. Особенно это относится к различиям в терминологии традиционной телефонии и более новой области — компьютерных сетей. Процесс конвергенции только усугубил проблему терминологии, так как многие механизмы этих сетей стали общими, но сохранили за собой по паре (иногда и больше) названий, пришедших из каждой области. Кроме того, существуют объективные причины для неоднозначного понимания терминов." (ст.192) ..., да и какая разница в чем мерить в попугаях или мартышках, хотя в попугаях более впечатляет, конечно желательно понимать о чем идет речь, то есть исходя из контекста.

Cisco в своих "Сisco press", так формализует эти понятия: 

• Дейтаграмма (datagram) — Блок информации, посланный как пакет сетевого уровня,через передающую среду, без предварительного установления виртуального канала.

IP-дейтаграммы — основные информационные блоки в Internet. Термины ячейка, фрейм, сообщение, пакет и сегмент (cell, frame, message, packet и segment) также используются для описания логически сфуппированных блоков информации на разных уровнях эталонной модели OSI и в различных технологических циклах.

• Пакет (packet) —Логически сгруппированный блок информации, который включает заголовок, содержащий контрольную информацию, и (обычно) пользовательские данные.

Термин "пакет" чаще всего употребляется в контексте блоков данных сетевого уровня. Термины "дейтаграмма", "фрейм", "сообщение" и "сегмент" (datagram, frame, message,segment) также используются для описания логически сфуппированных блоков информации на разных уровнях эталонной модели OSI и в различных технологических циклах.

    Сервис без подтверждений и без установки соединения заключается в том, что передающая машина посылает независимые кадры принимающей машине, и принимающая машина не посылает подтверждений о приеме кадров. Хороший пример канального уровня, предоставляющего сервис такого класса, — Ethernet. Никакие соединения заранее не устанавливаются и не разрывается после передачи кадров. Если какой-либо кадр теряется из-за шума в линии, то на канальном уровне не предпринимается никаких попыток восстановить его. Данный класс сервисов приемлем при очень низком уровне ошибок. В этом случае вопросы, связанные с восстановлением потерянных при передаче данных, могут быть оставлены верхним уровням. Он также применяется в линиях связи реального времени, таких как передача речи, в которых лучше получить искаженные данные, чем получить их с большой задержкой. 

    Следующим шагом в сторону повышения надежности является сервис с подтверждениями, без установки соединения. При его использовании соединение также не устанавливается, но получение каждого кадра подтверждается. Таким образом, отправитель знает, дошел ли кадр до пункта назначения в целости или потерялся. Если в течение установленного интервала времени подтверждения не поступает, кадр посылается снова. Такой сервис полезен в случае использования каналов с большой вероятностью ошибок, например, в беспроводных системах. Среди сервисов такого класса можно назвать, например, 802.11 (WiFi), предоставление подтверждений является скорее оптимизацией, чем требованием. Сетевой уровень всегда может послать пакет и ожидать подтверждения его доставки удаленной машине. Если за установленный период времени подтверждение не будет получено отправителем, сообщение может быть выслано еще раз. 

    Проблема при использовании данной стратегии заключается в том, что она зачастую оказывается неэффективной. Кадры обычно имеют жесткое ограничение максимальной длины, связанное с аппаратными требованиями, а также существует определенная задержка доставки. На сетевом уровне эти параметры неизвестны. Сетевой уровень может разбивать сообщения, скажем, на 10 кадров. В среднем, два из них потеряются по дороге. Передача сообщения таким методом может занять очень много времени. Если подтверждать получение отдельных кадров, то ошибки можно будет исправлять напрямую и гораздо быстрее. В таких надежных каналах, как, например, оптоволоконный кабель, накладные расходы на подтверждения на канальном уровне только снизят пропускную способность канала, однако для беспроводной связи (ненадежной по своей природе) такие расходы окупятся и уменьшат время передачи длинных сообщений.

    Наиболее сложным сервисом, который может предоставлять канальный уровень, является ориентированный на соединение сервис с подтверждениями. При использовании данного метода источник и приемник, прежде чем передать друг другу данные, устанавливают соединение. Каждый посылаемый кадр нумеруется, а канальный уровень гарантирует, что каждый посланный кадр действительно принят на другой стороне канала связи. Кроме того, гарантируется, что каждый кадр был принят всего один раз и что все кадры были получены в правильном порядке. Таким образом, ориентированный на соединение сервис предоставляет процессам сетевого уровня эквивалент надежного потока битов. Он подходит для длинных ненадежных связей, таких как спутниковый канал или междугородное телефонное соединение. В службе без установления соединения возможно, что при потере подтверждения один и тот же кадр будет послан несколько раз и, следовательно, несколько раз получен. Это лишняя нагрузка на канал и неразумное расходование полосы пропускания. 

    При использовании ориентированного на соединение сервиса передача данных состоит из трех различных фаз. В первой фазе устанавливается соединение, при этом обе стороны инициализируют переменные и счетчики, необходимые для слежения за тем, какие кадры уже приняты, а какие — еще нет. Во второй фазе передаются кадры данных. Наконец, в третьей фазе соединение разрывается, и при этом освобождаются все переменные, буферы и прочие ресурсы, использовавшиеся во время соединения. 

    Что касается кадров, то канальный уровень использует различные методы формирования кадров, включая подсчет байтов, символьное и битовое заполнение. Протоколы канального уровня могут обладать возможностями контроля ошибок для обнаружения и исправления поврежденных кадров и повторной передачи потерянных. Во избежание опережения медленного приемника быстрым отправителем применяется управление потоком. Механизм скользящих окон широко используется для удобного объединения контроля ошибок и управления потоком. Для окна размером в один пакет применяется протокол с остановкой и ожиданием.

    На сегодняшний день для "интернета" в качестве основного протокола линий «точка — точка» используется PPP. Он предоставляет сервис без установки соединения и без подтверждения. Для разделения кадров применяются флаговые байты, а для распознавания ошибок — коды CRC. С помощью этого протокола пакеты передаются по множеству типов соединений, включая каналы SONET в глобальных сетях и ADSL для домашних подключений.

Коммутация на канальном уровне, сетевые мосты

В общем и целом, среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации абонентов в сетях вы­деляют два основополагающих, к которым относят коммутацию каналов и коммутацию пакетов (Ethernet - пример стандартной технологии с коммутацией пакетов), коммутация на канальном уровне по средствам аппаратных переключателей (просто мостов, свичей, коммутаторов), самый очевидный пример коммутации пакетов. Объединение(коммутация) сетей решается при помощи устройств именуемых мостами( bridges). Коммутаторы Ethernet — это современное название мостов; они обеспечивают функциональность, которая идет дальше классического Ethernet и концентраторов (хабов) Ethernet.

 Если быть точным в определениях, разница между мостом и комутатором все же есть принято считать, что разница между мостом и коммутатором состоит в том, что мост в каждый момент времени может осуществлять передачу только одного потока кадров и только между двумя портами, а коммутатор способен одновременно передавать несколько потоков данных между любыми своими портами. Другими словами, мост передает кадры последовательно, а коммутатор параллельно  (что не относится к виртуальным мостам (например Linux-bridg), но это вопрос терминологии). Видимо можно сказать проще, что мосты делят сеть на два сегмента или широковещательных домена, условно правый и левый, а коммутаторы - свичи это техническое продолжение мостов, то есть очень в общем это одно и тоже. 

 Кроме соединения сетей, естественным образом напрашивается задача противоположная, разделение одной физической локальной сети на несколько логических локальных сетей, так называемых виртуальных  VLAN(Virtual LAN), задача успешно решенная средствами виртуализации и унаследовавшая все её достоинства и недостатки (по средством тех же мостов только "виртуальных", маркировкой кадров флагами виртуальной сети), задача столь часто встречающаяся в наше время.

Не полохо для понимания вопроса обратитьс к истории и собственно проблеме, решение которой и явило на свет все совершенства современного бытия, проблеме "домена коллизий". Разделяемой средой (shared medium) называется физическая среда передачи данных, к кото­рой непосредственно подключено несколько передатчиков узлов сети. Причем в каждый момент времени только один из передатчиков какого-либо узла сети получает доступ к разделяемой сре­де и использует ее для передачи данных приемнику другого узла, подключенному к этой же среде.  Протоколы, в которых станции прослушивают среду передачи данных и действуют в соответствии с этим, называются протоколами с контролем несущей. Один из них это - 1-настойчивый протокол CSMA (Carrier-Sense Multiple Access — множественный доступ с контролем несущей) Когда у станции появляются данные для передачи, она сначала прослушивает канал, проверяя, свободен он или занят. Если канал бездействует, то станция отправляет данные. В противном случае, когда канал занят, станция ждет, пока он освободится. Затем станция передает кадр. Если происходит столкновение, станция ждет в течение случайного интервала времени, затем снова прослушивает канал и, если он свободен, пытается передать кадр еще раз. 

Такой протокол называется протоколом CSMA с настойчивостью 1, так как станция передает кадр с вероятностью 1, как только обнаружит, что канал свободен, и можно было бы ожидать, что коллизий вообще происходить не будет, за исключением редких случаев одновременной отправки, но это не так. Если две станции придут в состояние готовности в то время, когда передает какая-то третья станция, обе будут ждать, пока она не закончит передачу, после чего сами одновременно станут передавать, и в результате произойдет столкновение.

    Вторым протоколом с опросом несущей является не настойчивый протокол CSMA. В данном протоколе предпринята попытка сдержать стремление станций начинать передачу, как только освобождается канал. Как и выше, прежде чем начать передачу, станция опрашивает канал. Если никто не передает в данный момент по каналу, станция начинает передачу сама. Однако если канал занят, станция не ждет освобождения канала, постоянно прослушивая его и пытаясь захватить сразу, как только он освободится, как в предыдущем протоколе. Вместо этого станция ждет в течение случайного интервала времени, а затем снова прослушивает линию. Очевидно, данный алгоритм должен привести к лучшему использованию канала и к большим интервалам ожидания, чем протокол CSMA с настойчивостью 1.

    Третий, это протокол CSMA с настойчивостью p. Он применяется в дискретных каналах и работает следующим образом. Когда станция готова передавать, она опрашивает канал. Если канал свободен, она с вероятностью p начинает передачу. С вероятностью q = 1 – p она отказывается от передачи и ждет начала следующего такта. Этот процесс повторяется до тех пор, пока кадр не будет передан или какая-либо другая станция не начнет передачу. В последнем случае станция ведет себя так же, как в случае столкновения. Она ждет в течение случайного интервала времени, после чего начинает все снова. Если при первом прослушивании канала он оказывается занят, станция ждет следующего интервала времени, после чего применяется тот же алгоритм. 

    Следующее ухищерение по борьбе с не распределенным доменом коллизий еще более замысловато, это способность станций быстро распознавать коллизию и немедленно прекращать передачу (а не завершать ее), так как данные все равно искажены. Эта стратегия экономит время, и улучшается производительность канала. Такой протокол, называемый CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), котрый и является основой чрезвычайно популярных LAN Ethernet (конкурентный Ethernet).

    Итак, мосты, свичи, комутаторы (смотря каков контекст употребления): мосты функционируют на канальном уровне, точнее, на подуровне контроля доступа к среде передачи MAC, и тут полезно разобрать два подуровня MAC и LLC, следующее определение возможно наиболее полно:

• Управление доступом к среде, проверка доступности разделяемой среды (media access control, MAC) — подуровень канального уровня модели OSI, согласно стандартам IEEE 802. MAC является одним из расширений модели OSI. IEEE, разделяет канальный уровень на два подуровня: подуровень управления доступом к среде (MAC) и подуровень управления логической связью (LLC - Logical Link Control ) одной из задач которого является установление логического соединения между узлами, нижним уровнем является MAC. Таким образом, MAC выступает в качестве интерфейса между подуровнем LLC и физическим(первым)уровнем.   MAC обеспечивает адресацию и механизмы управления доступом к каналам. Адреса с которыми работает протокол канального уровня, используются для доставки кадров только в пределах этой сети (суммы сегментов сети), для перемещения пакетов между сетями применяются адреса следующего, сетевого уровня.

    То что мосты позволяют хостам в различных локальных сетях (сегментах) взаимодействовать друг с другом, как если бы они находились в одной сети, это очевидно,  а схематически работа моста выглядит следующим образом:

Пусть хост А из локальной сети Ethernet хочет передать пакет сетевого уровня хосту Б в локальной сети Token Ring (для большей наглядности функционала). Пакет передается подуровню LLC, а после добавления LLC-заголовка спускается на подуровень MAC, где получает заголовок и концевик. Получившийся блок данных передается по кабелю и в конце концов достигает моста. MAC-заголовок удаляется, и пакет (LLC-заголовок не трогается) передается MAC-подуровнем LLC-подуровню моста. После этого пакет проделывает путь в обратном порядке по сети Token Ring. Если бы пакет предназначался той же сети, что и хост А, то он был бы просто проигнорирован мостом.

ТИПЫ МОСТОВ

    Наиболее часто применяемые это прозрачные мосты, термин «прозрачные» мосты объединяет большую группу устройств, поэтому их принято группировать в категории, базирующиеся на различных характеристиках изделий:

• • Прозрачные мосты (transparent bridges) объединяют сети с едиными протоколами канального и физического уровней модели OSI;

  • Транслирующие мосты (translating bridges) объединяют сети с различными протоколами канального и физического уровней;

  • Инкапсулирующие мосты (encapsulating bridges) соединяют сети с едиными протоколами канального и физического уровня через сети с другими протоколами.

Для "обычного" пользователя операционных систем наиболее часто встречается программная реализация мостов. Режим бриджинга присутствует в некоторых видах высокоуровневого сетевого оборудования и операционных систем, где используется для «логического объединения» нескольких портов в единое целое (с точки зрения вышестоящих протоколов), превращая указанные порты в виртуальный коммутатор. У Microsoft этот режим называется «подключения типа мост». В операционной системе Linux при объединении интерфейсов в мост создаётся новый интерфейс brN (N — порядковый номер, начиная с нуля — br0).  Для создания мостов используется пакет bridge-utils, входящий в большинство дистрибутивов Linux.

ПРОЗРАЧНЫЕ МОСТЫ

        Одним из  стандартов на мосты является Transparent Bridging. Разработчики этого стандарта ставили перед собой задачу определения полностью прозрачного моста. С их точки зрения, купив мост для объединения двух локальных сетей, вам остается только подсоединить коннекторы к мосту, и все тут же должно начать работать. Никаких изменений в программном и аппаратном обеспечении, никакой настройки адресов, никакой загрузки маршрутных таблиц. Просто подключаете кабели, и готово.

    Прозрачный мост работает в режиме приема всех пакетов (promiscuous mode). 

    При первом включении моста все строки таблицы пусты. Мост не знает, какой адресат в какой сети находится, поэтому он использует алгоритм веерной рассылки (flooding algorithm): каждый полученный кадр с неизвестным адресатом пересылается во все сети, за исключением той, из которой он получен. Постепенно мост узнает, где какой адресат находится (процесс обучения - backward learning). После чего кадры пересылаются только в соответствующую локальную сеть.

    Прозрачные мосты узнают о местонахождении адресатов с помощью алгоритма обратного обучения (backward learning). Как упоминалось выше, мост работает в режиме приема всех пакетов, поэтому он видит все кадры в каждой из подсоединенных к нему локальных сетей. Взглянув на адрес отправителя, мост может определить, через какую сеть какая машина доступна. Например, если мост 2 на рисунке видит, что кадр с адресом отправителя G получен из локальной сети 4, то он заносит в таблицу информацию, что все пакеты, предназначенные G, должны пересылаться в сеть 4.

    Топология сети может изменяться в результате включения/выключения и перемещения мостов и хостов. Для учета этой динамики каждая адресная запись таблицы содержит время получения кадра. При получении кадра с уже известным мосту адресом отправителя запись о времени обновляется. Периодически мост просматривает таблицу и удаляет все записи, чей возраст старше нескольких минут. В результате, если компьютер отключается от одной сети и переносится в другую, то через несколько минут он снова сможет работать в сети без какого-либо вмешательства человека. Кроме того, если компьютер не посылает кадры в течение какого-то времени, то любой предназначеный ему трафик будет рассылаться во все сопредельные сети, пока он сам что-либо не передаст.

Таким образом, то, как мост поступает с кадром, зависит от того, из какой сети кадр получен и кому он адресуется:

• • Если отправитель и получатель находятся в одной сети, то кадр отбрасывается.

  • Если отправитель и получатель находятся в разных сетях, то кадр пересылается в сеть, через которую он может достигнуть получателя.

  • Если получатель неизвестен, то кадр рассылается во все сопредельные сети.

    При определенных условиях кадры могут зацикливаться. Простом пример: Пусть две сети 1 и 2 соединены с помощью двух параллельных мостов М1 и М2 (например, для обеспечения избыточности или в силу необходимости). Если компьютер из сети 1 передает кадр неизвестному адресату, то сначала, например, М1, а затем М2 передают этот кадр в сеть 2 в соответствии с алгоритмом веерной рассылки. Вскоре М2 получает пересланную М1, а М1 - пересланную М2 в сеть 2 копию исходного кадра, адрес получателя которого неизвестен, и передают их поэтому обратно в сеть 1, и так до бесконечности.

    Решение данной проблемы - в создании древовидной топологии (Spanning Tree), когда некоторые соединения между локальными сетями по существу игнорируются, причем из одной сети можно попасть в другую только одним путем. Для построения дерева мосты должны выбрать вначале корневой мост (он будет корнем дерева), что достигается путем рассылки широковещательных пакетов с серийным номером производителя (свича, эти номера уникальны, а любое сетевое устройство имеет свой ID, обычно это MAC адрес). Мост с наименьшим номером становится корневым. Далее, мосты определяют дерево с кратчайшими путями до корня. В случае выхода какого-либо моста из строя это дерево определяется заново

Сетевой уровень

http://ciscotips.ru/routing

https://www.intuit.ru/studies/courses/2/2/lecture/34

Пока комитеты ISO спорили о своих стандартах, за их спиной менялась вся концепция организации сетей и по всему миру внедрялся протокол TCP/IP; И вот, когда протоколы ISO были наконец реализованы, выявился целый ряд проблем:

{

эти протоколы основывались на концепциях, не имеющих в современных сетях никакого смысла;

их спецификации были в некоторых случаях неполными;

по своим функциональным возможностям они уступали другим протоколам;

наличие многочисленных уровней сделало эти протоколы медлительными и трудными для реализации;

}

Сейчас даже самые ярые сторонники этих протоколов признают, что OSI постепенно движется к тому, чтобы стать маленькой сноской на страницах истории компьютеров.

— Эви Нэмет     Эви Немет - Unix и Linux. Руководство системного администратора - 2012