Если разные сети будут существовать всегда, то лучше бы нам вообще никогда не потребовалось их объединять. Но это крайне маловероятно. Боб Меткальф выдвинул такой принцип: ценность сети, состоящей из N узлов, пропорциональна числу соединений между узлами, или N2 (Gilder, 1993). Это значит, что большие сети всегда ценнее маленьких, и поэтому объединение сетей всегда будет иметь смысл.
Главный пример такого объединения — Интернет. Целью объединения всех этих сетей является предоставление пользователям возможности общаться с пользователями любой другой из этих сетей. Стоимость оплаты интернет-услуг часто зависит от доступной пропускной способности. Но на самом деле вы платите за возможность обмена пакетами с другими хостами, также подключенными к Интернету. Интернет не был бы так популярен, если бы пакеты можно было отправлять только хостам, находящимся в том же городе.
Поскольку сети зачастую различаются довольно сильно, передача пакетов из одной сети в другую далеко не всегда является простой задачей. Помимо проблем с неоднородностью, нам придется решать вопросы, возникающие вследствие увеличения размера такой интерсети. Чтобы понять, с чем мы можем столкнуться, необходимо сначала узнать, чем сети отличаются друг от друга. После этого мы рассмотрим подход, успешно применяющийся в IP (Internet Protocol), протоколе сетевого уровня сети Интернет. Здесь же мы расскажем о методах туннелирования в сетях, маршрутизации в интерсетях и фрагментации пакетов.
5.5.1. Различия сетей
Сети могут отличаться друг от друга довольно сильно и по разным параметрам. Некоторые из параметров, такие как методы модуляции или форматы кадров, нас сейчас не интересуют, поскольку они относятся к физическому и канальному уровням. В таблице 5.4 приведен список некоторых параметров, которые могут встретиться на сетевом уровне. Именно сглаживание этих различий делает обеспечение работы объединенной сети значительно более сложным делом, чем обеспечение работы одной сети.
Когда пакетам приходится пересекать несколько сетей, может возникнуть много проблем, связанных с интерфейсами между сетями. Во-первых, должна существовать возможность пересылки пакета от отправителя получателю. Что делать, если отправитель находится в сети Ethernet, а получатель — в сети WiMAX? Даже если мы можем задать адрес назначения WiMAX в сети Ethernet, пакеты нужно будет переправить из сети, не требующей соединения, в сеть, ориентированную на соединение. Тогда может понадобиться срочно создать новое соединение, что приведет к задержке и неэффективному использованию ресурсов, так как это соединение не будет активно использоваться.
Существует еще много различий, к которым необходимо приспособиться. Как, например, передать пакет группе, некоторые члены которой находятся в сети, не поддерживающей многоадресную рассылку? Различия в максимальном размере пакетов в разных сетях также составляют большую головную боль. Как передать 8000-байтовый пакет по сети, в которой максимальный размер пакета равен 1500 байтам? Когда пакеты из ориентированной на соединение сети должны пересечь не требующую соединений сеть, их порядок может нарушиться. Для отправителя это может оказаться (неприятной) неожиданностью — впрочем, как и для получателя.
Таблица 5.4. Некоторые аспекты отличия сетей
С различиями таких типов все же можно справиться. Например, шлюз на стыке двух сетей может имитировать многоадресную рассылку, создавая копии пакетов для разных адресов назначения. Крупные пакеты могут разбиваться на части, а затем снова объединяться. Принимающее устройство может помещать пакеты в буфер, а затем доставлять их в правильном порядке.
Однако сети могут различаться и в таких аспектах, с которым справиться гораздо труднее. Самый яркий пример — качество обслуживания. Если одна сеть предоставляет хороший уровень обслуживания, а другая — наилучший уровень из возможных, невозможно создать сквозную пропускную способность и задержку. На самом деле это возможно, только если вторая сеть работает в медленном режиме или почти не используется, что маловероятно. Трудности вызывают и механизмы безопасности, но как минимум шифрование в целях конфиденциальности и целостности данных можно обеспечить в тех сетях, где они не поддерживаются. И наконец, различия в тарификации могут стать причиной неожиданно высоких счетов за обычные операции — ситуация, в которой часто оказываются пользователи мобильных телефонов в зоне роуминга.
5.5.2. Способы объединения сетей
Существует два основных способа соединения разных сетей. Можно создать специальные устройства, которые умеют конвертировать пакеты из любой сети в любую другую. Или, как хорошие специалисты в этой области, мы можем решить эту проблему так: добавив еще один уровень косвенной адресации, мы создадим надсете-вой уровень. В обоих случаях устройства должны помещаться в граничных областях сетей.
Уже давно идею создания общего слоя, сглаживающего различия существующих на данный момент сетей, выдвинули Серф и Кан (1974). Этот подход имел невероятный успех и нашел свое применение в протоколах IP и TCP. Сейчас, почти сорок лет спустя, IP составляет основу современной сети Интернет. За это достижение в 2004 году Серф и Кан были удостоены премии Тьюринга, которую неофициально называют Нобелевской премией в области информатики. IP использует универсальный формат пакетов, который распознается всеми маршрутизаторами и может быть передан по практически любой сети. Действие IP распространяется также и на телефонные сети. Кроме того, сейчас IP работает в сенсорных сетях и на малых устройствах, хотя раньше считалось, что такая поддержка невозможна из-за ограничений на ресурсы.
Мы уже говорили о нескольких типах устройств для соединения сетей. Среди них повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы и шлюзы. Повторители и концентраторы просто переносят биты с одного кабеля на другой. Чаще всего это аналоговые устройства, ничего не смыслящие в протоколах вышележащих уровней. Мосты и коммутаторы работают на канальном уровне. Они могут использоваться для построения сетей, осуществляя по ходу дела минимальные преобразования протоколов, например, между сетями Ethernet со скоростями 10, 100 и 1000 Мбит/с. В этом разделе в центре нашего внимания будут устройства сетевого взаимодействия, работающие на сетевом уровне, то есть маршрутизаторы. Шлюзы, являющиеся высокоуровневыми интеркоммуникационными устройствами, будут рассмотрены позднее.
Давайте для начала посмотрим, как взаимодействие через общий сетевой слой может использоваться для объединения разнородных сетей. На рис. 5.34, а изображена интерсеть, состоящая из сетей 802.11, MPLS и Ethernet. Пусть источник в сети 802.11 хочет отправить пакет приемнику в сети Ethernet. Так как технологии отправки в этих сетях различны, и вдобавок пакету придется пройти через сеть другого типа (MPLS), на границах сетей пакеты должны быть дополнительно обработаны.
Рис. 5.34. Взаимодействие через сетевой слой: а — пакет проходит через разные сети; б — выполнение протоколов на сетевом и канальном уровне
Поскольку обычно разные сети используют разные способы адресации, пакет содержит адрес сетевого слоя, который может идентифицировать любой хост любой из трех сетей. Сначала пакет приходит на границу сетей 802.11 и MPLS. Сеть 802.11 не требует соединения, а MPLS, наоборот, ориентирована на соединение. Это значит, что необходимо создать виртуальный канал. Когда пакет пройдет по этому каналу, он достигнет границы сети Ethernet. На этом этапе пакет может оказаться слишком большим, так как 802.11 работает с кадрами большего размера, чем Ethernet. В таком случае пакет разделяется на фрагменты, каждый из которых отправляется по отдельности. Фрагменты снова собираются вместе по прибытии на адрес назначения. Так заканчивается путешествие пакета.
