Архитектура вычислительных сетей

Сетевая модель — теоретическое описание принципов работы набора сетевых протоколов, взаимодействующих друг с другом. Модель обычно делится на уровни, так, чтобы протоколы вышестоящего уровня использовали бы протоколы нижестоящего уровня (точнее, данные протокола вышестоящего уровня передавались бы с помощью нижележащих протоколов — этот процесс называют инкапсуляцией, процесс извлечения данных вышестоящего уровня из данных нижестоящего — деинкапсуляцией). Модели бывают как практические (использующиеся в сетях, иногда запутанные и/или не полные, но решающие поставленные задачи), так и теоретические (показывающие принципы реализации сетевых моделей, приносящие в жертву наглядности производительность/возможности).

Наиболее известные сетевые  модели:

• Модель OSI, она же Модель ВОС, Взаимосвязь открытых систем. Эталонная модель. — теоретическая модель, описанная в международных стандартах и ГОСТах.
• Модель DOD (Модель TCP/IP) — практически использующаяся модель, принятая для работы в Интернете.
• Модель SPX/IPX — модель стека SPX/IPX (семейство протоколов для ЛВС)
• Модель AppleTalk — модель для сетей AppleTalk (протоколы для работы сетей с оборудованием Apple)
• Модель Fibre Channel — модель для высокоскоростных сетей Fibre Channel

Протокол передачи данных  — набор соглашений интерфейса логического уровня, которые определяют обмен данными между различными программами. Эти соглашения задают единообразный способ передачи сообщений и обработки ошибок при взаимодействии программного обеспечения разнесённой в пространстве аппаратуры, соединённой тем или иным интерфейсом.

Стандартизированный протокол передачи данных также позволяет разрабатывать интерфейсы (уже на физическом уровне), не привязанные к конкретной аппаратной платформе и производителю

Сетево́й протоко́л — набор правил и действий (очерёдности действий), позволяющий осуществлять соединение и обмен данными между двумя и более включёнными в сетьустройствами.

Разные протоколы зачастую описывают  лишь разные стороны одного типа связи. Названия «протокол» и «стек протоколов» также указывают на программное обеспечение, которым реализуется протокол.

Новые протоколы для Интернета определяются IETF, а прочие протоколы — IEEE или ISO. ITU-T занимается телекоммуникационными протоколами и форматами.

Наиболее распространённой системой классификации сетевых протоколов является так называемая модель OSI, в соответствии с которой протоколы делятся на 7 уровней по своему назначению — от физического (формирование и распознавание электрических или других сигналов) до прикладного (интерфейс программирования приложений для передачи информации приложениями).

Сетевые протоколы предписывают правила  работы компьютерам, которые подключены к сети. Они строятся по многоуровневому  принципу. Протокол некоторого уровня определяет одно из технических правил связи. В настоящее время для  сетевых протоколов используется модель OSI (Open System Interconnection — взаимодействие открытых систем, ВОС).

Модель OSI — это 7-уровневая логическая модель работы сети. Модель OSI реализуется группой протоколов и правил связи, организованных в несколько уровней:

• на физическом уровне определяются физические (механические, электрические, оптические) характеристики линий связи;
• на канальном уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети;
• сетевой уровень отвечает за адресацию и доставку сообщений;
• транспортный уровень контролирует очередность прохождения компонентов сообщения;
• задача сеансового уровня — координация связи между двумя прикладными программами, работающими на разных рабочих станциях;
• уровень представления служит для преобразования данных из внутреннего формата компьютера в формат передачи;
• прикладной уровень является пограничным между прикладной программой и другими уровнями — обеспечивает удобный интерфейс связи сетевых программ пользователя.

Сетевая модель OSI — сетевая модель стека сетевых протоколов OSI/ISO В связи с затянувшейся разработкой протоколов OSI, в настоящее время основным используемым стеком протоколов является TCP/IP, разработанный ещё до принятия модели OSI и вне связи с ней.

В литературе наиболее часто  принято начинать описание уровней  модели OSI с 7-го уровня, называемого  прикладным, на котором пользовательские приложения обращаются к сети. Модель OSI заканчивается 1-м уровнем —  физическим, на котором определены стандарты, предъявляемые независимыми производителями к средам передачи данных:

• тип передающей среды (медный кабель, оптоволокно, радиоэфир и др.),
• тип модуляции сигнала,
• сигнальные уровни логических дискретных состояний (нуля и единицы).

Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами  своего уровня, либо с протоколами  на единицу выше и/или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами  своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или  ниже — вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня, что не выполняется в протоколах альтернативных моделей.

Каждому уровню с некоторой  долей условности соответствует  свой операнд — логически неделимый  элемент данных, которым на отдельном  уровне можно оперировать в рамках модели и используемых протоколов: на физическом уровне мельчайшая единица  — бит, на канальном уровне информация объединена в кадры, на сетевом —  в пакеты (датаграммы), на транспортном — в сегменты. Любой фрагмент данных, логически объединённых для передачи — кадр, пакет, датаграмма — считается сообщением. Именно сообщения в общем виде являются операндами сеансового, представительского и прикладного уровней.

К базовым сетевым технологиям  относятся физический и канальный уровни.

Физический уровень — первый уровень сетевой модели OSI. Это нижний уровень модели OSI — физическая и электрическая среда для передачи данных. Обычно физический уровень описывает: передачи на примерах топологий, сравнивает аналоговое и цифровое кодирование, синхронизацию бит, сравнивает узкополосную и широкополосную передачу, многоканальные системы связи, последовательную (логическая 5-вольтовая) передачу данных.

Если посмотреть с той точки  зрения, что сеть включает в себя оборудование и программы, контролирующие оборудование, то здесь физический слой будет относится именно к первой части определения.

Канальный уровень — уровень сетевой модели OSI, предназначенный для передачи данных узлам, находящимся в том жесегменте локальной сети. Также может использоваться для обнаружения и, возможно, исправления ошибок, возникших на физическом уровне. Примерами протоколов, работающих на канальном уровне, являются: Ethernet для локальных сетей (многоузловой), Point-to-Point Protocol (PPP), HDLC и ADCCP для подключений точка-точка (двухузловой).

Канальный уровень отвечает за доставку кадров между устройствами, подключенными к одному сетевому сегменту. Кадры канального уровня не пересекают границ сетевого сегмента. Функции межсетевой маршрутизации и глобальной адресации осуществляются на более высоких уровнях модели OSI, что позволяет протоколам канального уровня сосредоточиться на локальной доставке и адресации.

Заголовок кадра содержит аппаратные адреса отправителя и получателя, что позволяет определить, какое устройство отправило кадр и какое устройство должно получить и обработать его. В отличие от иерархических и маршрутизируемых адресов, аппаратные адреса одноуровневые. Это означает, что никакая часть адреса не может указывать на принадлежность к какой либо логической или физической группе.

Когда устройства пытаются использовать среду одновременно, возникают коллизии кадров. Протоколы канального уровня выявляют такие случаи и обеспечивают механизмы для уменьшения их количества или же их предотвращения.

Многие протоколы канального уровня не имеют подтверждения о приёме кадра, некоторые протоколы даже не имеют контрольной суммы для проверки целостности кадра. В таких случаях протоколы более высокого уровня должны обеспечивать управление потоком данных, контроль ошибок, подтверждение доставки и ретрансляции утерянных данных.

На этом уровне работают коммутаторы, мосты.

В программировании доступ к этому  уровню предоставляет драйвер сетевой платы В операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS.

Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня. MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

Функции канального уровня:

1. Получение доступа к среде передачи. Обеспечение доступа — важнейшая функция канального уровня. Она требуется всегда, за исключением случаев, когда реализована полносвязная топология (например, два компьютера, соединенных через кроссовер, или компьютер со свичом в полнодуплексном режиме).
2. Выделение границ кадра. Эта задача так же решается всегда. Среди возможных решений этой задачи — резервирование некоторой последовательности, обозначающей начало или конец кадра.
3. Аппаратная адресация (или адресация канального уровня). Требуется в том случае, когда кадр могут получить сразу несколько адресатов. В локальных сетях аппаратные адреса (MAC-адреса) применяются всегда.
4. Обеспечение достоверности принимаемых данных. Во время передачи кадра есть вероятность, что данные исказятся. Важно это обнаружить и не пытаться обработать кадр, содержащий ошибку. Обычно на канальном уровне используются алгоритмы контрольных сумм, дающие высокую гарантию обнаружения ошибок.
5. Адресация протокола верхнего уровня. В процессе декапсуляции указание формата вложенного PDU существенно упрощает обработку информации, поэтому чаще всего указывается протокол, находящийся в поле данных, за исключением тех случаев, когда в поле данных может находится один-единственный протокол.

Набор стандартов IEEE 802.3, определяющих канальный и физический уровень в проводной сети Ethernet, как правило, реализуется в локальных сетях (LAN), а в некоторых случаях — и в глобальных (WAN).^[3]

Ethernet

 
Технология Ethernet — часть богатого наследия исследовательского центра Xerox PARC. Ранние версии Ethernet использовали в качестве среды передачи коаксиальный кабель, но со временем он был полностью вытеснен оптоволокном и витой парой. Однако важно понимать, что применение коаксиального кабеля во многом определило принципы работы Ethernet. Дело в том, что коаксиальный кабель — разделяемая среда передачи. Важная особенность разделяемой среды: ее могут использовать одновременно несколько интерфейсов, но передавать в каждый момент времени должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Такая топология называется шина. Однако если хотябы два узла на одной шине начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга и приемники других узлов ничего не разберут. Такая ситуация называется коллизией, а часть сети, узлы в которой конкурируют за общую среду передачи —доменом коллизий. Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел постоянно наблюдает за сигналов в среде и если собственный передаваемый сигнал отличается от наблюдаемого — фиксируется коллизия. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайный промежуток времени. 
В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель. 
Витая пара в качестве среды передачи отличается от коаксиального кабеля тем, что может соединять только два узла и использует разделенные среды для передачи информации в разных направлениях. Одна пара используется для передачи (1,2 контакты, как правило оранжевый и бело-оранжевый провода) и одна пара для приема (3,6 контакты, как правило зеленый и бело-зеленый провода). На активном сетевом оборудовании наоборот. Не трудно заметить, что пропущена центральная пара контактов: 4, 5. Эту пару специально оставили свободной, если в ту же розетку вставить RJ11, то он займет как раз свободные контакты. Таким образом можно использовать один кабели и одну розетку, для LAN и, например, телефона. Пары в кабеле выбраны таким образом, чтоб свести к минимуму взаимное влияние сигналов друг на друга и улучшить качество связи. Провода одной пару свиты между собой для того, чтоб влияние внешних помех на оба провода в паре было примерно одинаковым. 
Для соединения двух однотипных устройств, к примеру двух компьютеров, используется так называемый кроссовер-кабель(crossover), в котором одна пара соединяет контакты 1,2 одной стороны и 3,6 другой, а вторая наоборот: 3,6 контакты одной стороны и 1,2 другой. Это нужно для того, чтоб соединить приемник с передатчиком, если использовать прямой кабель, то получится приемник-приемник, передатчик-передатчик. Хотя сейчас это имеет значение только если работать с каким-то архаичным оборудованием, т.к. почти всё современное оборудование поддерживает Auto-MDIX — технология позволяющая интерфейсу автоматически определять на какой паре прием, а на какой передача. 
Возникает вопрос: откуда берется ограничение на длину сегмента у Ethernet по витой паре, если нет разделяемой среды? Всё дело в том, первые сети построенные на витой паре использовали концентраторы. Концентратор (иначе говоря многовходовый повторитель) — устройство имеющее несколько портов Ethernet и транслирующее полученный пакет во все порты кроме того, с которого этот пакет пришел. Таким образом если концентратор начинал принимать сигналы сразу с двух портов, то он не знал, что транслировать в остальные порты, это была коллизия. То же касалось и первых Ethernet-сетей использующих оптику (10Base-FL). 
Зачем же тогда использовать 4х-парный кабель, если из 4х пар используются только две? Резонный вопрос, и вот несколько причин для того, чтобы делать это:

• 4х-парный кабель механически более надежен чем 2х-парный.
• 4х-парный кабель не придется менять при переходе на Gigabit Ethernet или 100BaseT4, использующие уже все 4 пары
• Если перебита одна пара, можно вместо нее использовать свободную и не перекладывать кабель
• Возможность использовать технологию Power over ethernet

 
Не смотря на это на практике часто используют 2х-парный кабель, подключают сразу 2 компьютера по одному 4х-парному, либо используют свободные пары для подключения телефона. 
Существует несколько форматов Ethernet-кадра.

• Первоначальный Version I (больше не применяется).
• Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II, ещё называемый DIX (аббревиатура первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox) — наиболее распространена и используется по сей день. Часто используется непосредственно протоколом Интернет.

Наиболее распространенный формат кадра Ethernet II

• Novell — внутренняя модификация IEEE 802.3 без LLC (Logical Link Control).
• Кадр IEEE 802.2 LLC.
• Кадр IEEE 802.2 LLC/SNAP.
• Некоторые сетевые карты Ethernet, производимые компанией Hewlett-Packard использовали при работе кадр формата IEEE 802.12, соответствующий стандарту 100VG-AnyLAN.

В качестве дополнения Ethernet-кадр может содержать тег IEEE 802.1Q для идентификации VLAN, к которой он адресован, и IEEE 802.1p для указания приоритетности.

Разные типы кадра имеют  различный формат и значение MTU.

Быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с) 

Fast Ethernet — общее название для набора стандартов передачи данных в компьютерных сетях по технологии Ethernet со скоростью до 100 Мбит/с, в отличие от исходных 10 Мбит/с.

В 1992 году ряд производителей сетевого оборудования (такие как 3Com, SynOptics и др.) образовали объединение Fast Ethernet Alliance, предназначенное для создания новой спецификации, которая объединила бы отдельные наработки различных компаний в области кабельной передачи данных.

Вместе с тем в институте IEEE была начата работа по стандартизации новой технологии. Созданная для этого исследовательская группа с конца 1992 по конец 1993 года изучила множество 100-мегабитных решений, предложенных различными производителями, а также высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

26 октября 1995 года официально был принят стандарт IEEE 802.3u, который явился дополнением к уже существующему IEEE 802.3.

Различия и сходства с  Ethernet

• сохранение метода случайного доступа CSMA/CD, принятого в Ethernet;
• сохранение формата кадра, принятого в стандарте IEEE 802.3;
• сохранение звездообразной топологии сетей;
• поддержка традиционных сред передачи данных — витой пары и волоконно-оптического кабеля.

Gigabit Ethernet

 
 
В отличии от своих предшественников Gigabit Ethernet всегда использует для передачи одновременно все 4 пары. Причем сразу в двух направлениях. Кроме того информация кодируется не двумя уровнями как обычно (0 и 1), а четырьмя (00,01,10,11). Т.е. уровень напряжения в каждый конкретный момент кодирует не один, а сразу два бита. Это сделано для того, чтоб снизить частоту модуляции с 250 МГц до 125 МГц. Кроме того добавлен пятый уровень, для создания избыточности кода. Он делает возможной коррекцию ошибок на приеме. Такой вид кодирования называется пятиуровневым импульсно-амплитудным кодированием (PAM-5). Кроме того, для того, чтоб использовать все пары одновременно для приема и передачи сетевой адаптер вычитает из общего сигнала собственный переданный сигнал, чтоб получить сигнал переданный другой стороной. Таким образом реализуется полнодуплексный режим по одному каналу.

40-гигабитный Ethernet (или 40GbE) и 100-гигабитный Ethernet (или 100GbE).

Стандарты Ethernet, разработанные группой IEEE P802.3ba Ethernet Task Force в период с ноября 2007 года  по июнь 2010 года. Эти стандарты являются следующим этапом развития группы стандартов Ethernet, имевших до 2010 года наибольшую скорость в 10 гигабит/с. В новом стандарте, IEEE Std 802.3ba-2010, обеспечивается скорость передачи данных в 40 и 100 гигабит в секунду, при совместном использовании нескольких 10 гбит/с или 25 гбит/с линий связи (lane).

В стандартах 40/100-гигабитного  Ethernet содержится описание нескольких различных стандартов физического уровня (PHY). Сетевые устройства могут использовать различные типы PHY путём использования сменных PHY-модулей. Модули, использующие оптическое волокно, стандартизированы в 802.3ba а в различных multi-source agreements, MSA (соглашения между различными производителями). Один из стандартизованных модулей, поддерживающий и 40 и 100-гигабитный Ethernet, — это CFP MSA (англ. C form-factor pluggable), который может использоваться для расстояний 100 и более метров. Модули QSFP и CXP обеспечивают работу на меньших дистанциях^[.

Стандарт 802.3ba поддерживает только полнодуплексный режим работы.

При разработке PHY-части стандарта  ставились цели:

• Сохранить формат кадров Ethernet стандарта 802.3, использующих формат 802.3 MAC
• Сохранить минимальные и максимальные размеры кадра (FrameSize), совпадающие с текущей редакцией стандарта 802.3
• Обеспечить в точке сопряжения MAC/PLS уровень ошибок (en:Bit error ratio) не выше   (то есть не более 1 ошибки в среднем на каждые   бит)
• Обеспечение соответствующей поддержки Оптических Транспортных Сетей (англ. Optical Transport Network, OTN)
• Скорость передачи данных на уровне MAC в 40 и 100 гигабит в секунду
• Разработка вариантов уровня PHY для работы через одномодовое оптическое волокно (SMF), многомодовое оптическое волокно OM3 (MMF), кабели с медными проводниками и через объединительные платы (backplane).

Стоит упомянуть о перспективной  технологии Terabit Ethernet. Боб Меткалф, создатель предположил, что технология будет разработана к 2015 году, и так же сказал: Чтобы реализовать Ethernet 1 ТБит/с, необходимо преодолеть множество ограничений, включая 1550-нанометровые лазеры и модуляцию с частотой 15 ГГц. Для будущей сети нужны новые схемы модуляции, а также новое оптоволокно, новые лазеры, в общем, все новое.

X.25

X.25 — семейство протоколов канального уровня сетевой модели OSI. Предназначалось для организации WAN на основе телефонных сетей с линиями с достаточно высокой частотой ошибок, поэтому содержит развитые механизмы коррекции ошибок. Ориентирован на работу с установлением соединений. Исторически является предшественником протокола Frame Relay.

X.25 обеспечивает множество независимых  виртуальных каналов (Permanent Virtual Circuits, PVC и Switched Virtual Circuits, SVC) в одной линии связи, идентифицируемых в X.25-сети по идентификаторам подключения к соединению идентификаторы логического канала (Logical Channel Identifyer, LCI) или номера логического канала (Logical Channel Number, LCN).

Благодаря надёжности протокола и  его работе поверх телефонных сетей  общего пользования X.25 широко использовался  как в корпоративных сетях, так  и во всемирных специализированных сетях предоставления услуг, таких  как SWIFT (банковская платёжная система) и SITA (фр. Société Internationale de Télécommunications Aéronautiques — система информационного обслуживания воздушного транспорта), однако в настоящее время X.25 вытесняется другими технологиями канального уровня (Frame Relay, ISDN, ATM) и протоколом IP, оставаясь, однако, достаточно распространённым в странах и территориях с неразвитой телекоммуникационной инфраструктурой.

Разработан Study Group VII Международного союза электросвязи (ITU) в качестве пакетного протокола передачи данных в телефонных сетях принят в 1976 г. и стал основой всемирной системы PSPDN (англ. Packet-Switched Public Data Networks), то есть WAN. Существенные дополнения к протоколу были приняты в 1984 г., в настоящее время действует стандарт ISO 8208 протокола X.25, стандартизовано также и применение X.25 в локальных сетях (стандарт ISO 8881).

Режимы и типы пакетов  Х.25

1. Режим установления соединения (Call setup mode) используется при установлении соединения SVC между DTE-устройствами. В этом режиме на уровне PLP используется схема адресации X.121 для установления виртуального соединения. Режим установления соединения работает на уровне виртуальных каналов, то есть в пределах одного физического DTE-устройства одни SVC могут быть в состоянии установления соединения, а другие — в режиме передачи данных или разрыва соединения. Режим установления соединения используется только в случае установления SVC, но не PVC.
2. Режим передачи данных (Data transfer mode) используется при передаче данных по виртуальному каналу. При этом X.25 PLP ответственен за сегментацию данных в пакеты и сборку пакетов, управление передачей данных и коррекцию ошибок. Режим передачи данных работает на уровне виртуальных каналов и используется в случае как SVC, так и PVC.
3. Режим ожидания (Idle mode) характеризуется отсутствием передачи данных при установленном виртуальном канале. Работает на уровне виртуальных каналов и используется только в случае установления SVC, но не PVC.
4. Режим разрыва соединения (Call clearing mode) используется при разрыве соединения SVC между DTE-устройствами. Работает на уровне виртуальных каналов и используется только в случае разрыва SVC, но не PVC.
5. Режим перезапуска (Restarting mode) используется для переустановки соединений между DTE-устройством и локально работающих с ним DCE-устройствами. В отличие от других режимов, выполняется в пределах одного физического DTE-устройства, что сопровождается разрывом всех виртуальных каналов, установленных с этим DTE.

Frame relay 

Frame relay (англ. «ретрансляция кадров», FR) — протокол канального уровня сетевой модели OSI. Служба коммутации пакетов Frame Relay в настоящее время широко распространена во всём мире. Максимальная скорость, допускаемая протоколом FR — 34,368 мегабит/сек (каналы E3). Коммутация: точка-точка.

Frame Relay был создан в начале 1990-х в качестве замены протоколу X.25 для быстрых надёжных каналов связи, технология FR архитектурно основывалась на X.25 и во многом сходна с этим протоколом, однако в отличие от X.25, рассчитанного на линии с достаточно высокой частотой ошибок, FR изначально ориентировался на физические линии с низкой частотой ошибок, и поэтому большая часть механизмов коррекции ошибок X.25 в состав стандарта FR не вошла. В разработке спецификации принимали участие многие организации; многочисленные поставщики поддерживают каждую из существующих реализаций, производя соответствующее аппаратное и программное обеспечение.

Frame relay обеспечивает множество независимых виртуальных каналов (Virtual Circuits, VC) в одной линии связи, идентифицируемых в FR-сети по идентификаторам подключения к соединению (Data Link Connection Identifier, DLCI). Вместо средств управления потоком включает функции извещения о перегрузках в сети. Возможно назначение минимальной гарантированной скорости (CIR) для каждого виртуального канала.

В основном применяется при построении территориально распределённых корпоративных  сетей, а также в составе решений, связанных с обеспечением гарантированной  пропускной способности канала передачи данных 

Протокол сетевого уровня  — протокол 3-го уровня сетевой модели OSI, предназначается для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор.

В пределах семантики иерархического представления модели OSI Сетевой  уровень отвечает на запросы обслуживания от Транспортного уровня и направляет запросы обслуживания на Канальный уровень.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю и могут быть разделены на два  класса: протоколы с установкой соединения и без него.

• Протоколы с установкой соединения начинают передачу данных с вызова или установки маршрута следования пакетов от источника к получателю. После чего начинают последовательную передачу данных и затем по окончании передачи разрывают связь.
• Протоколы без установки соединения посылают данные, содержащие полную адресную информацию в каждом пакете. Каждый пакет содержит адрес отправителя и получателя. Далее каждое промежуточное сетевое устройство считывает адресную информацию и принимает решение о маршрутизации данных. Письмо или пакет данных передается от одного промежуточного устройства к другому до тех пор, пока не будет доставлено получателю. Протоколы без установки соединения не гарантируют поступление информации получателю в том порядке, в котором она была отправлена, т.к. разные пакеты могут пройти разными маршрутами. За восстановления порядка данных при использовании сетевых протоколов без установки соединения отвечают транспортные протоколы.

Функции Сетевого уровня:

• модели соединения: с установкой соединения и без установки соединения

Сетевой уровень модели OSI может быть как с установкой соединения, так и без него. В отличие  от Межсетевого уровня (англ. ???), в стеке протоколов TCP/IP поддерживает только протокол IP, который является протоколом без установки соединения; протоколы с установкой соединения находятся на следующих уровнях этой модели.

• адрес, присвоенный сетевому узлу

Каждый хост в сети должен иметь уникальный адрес, который  определяет, где он находится. Этот адрес обычно назначается из иерархической  системы. В Интернете адреса известны как адреса протокола IP.

• продвижение данных

Так как многие сети разделены  на подсети и соединяются с  другими сетями широковещательными каналами, сети используют специальные  хосты, которые называются шлюзами  или роутерами (маршрутизаторами) для доставления пакетов между сетями. Это также используется в интересах мобильных приложений, когда пользователь двигается от одного приложения к другому, в этом случае пакеты (сообщения) должны следовать за ним. В протоколе IPv4 такая идея описана, но практически не применяется.IPv6 содержит более рациональное решение.

ARP

ARP — протокол сетевого уровня, предназначенный для определенияMAC-адреса по известному IP-адресу. Наибольшее распространение этот протокол получил благодаря повсеместности сетей IP, построенных поверх Ethernet, поскольку практически в 100 % случаев при таком сочетании используется ARP.

Существуют следующие типы сообщений ARP: запрос ARP (ARP request) и ответ ARP (ARP reply). Система-отправитель при помощи запроса ARP запрашивает физический адрес системы-получателя. Ответ (физический адрес узла-получателя) приходит в виде ответа ARP.

Перед тем как передать пакет  сетевого уровня через сегмент Ethernet, сетевой стек проверяет кэш ARP, чтобы выяснить, не зарегистрирована ли в нём уже нужная информация об узле-получателе. Если такой записи в кэше ARP нет, то выполняется широковещательный запрос ARP. Этот запрос для устройств в сети имеет следующий смысл: «Кто-нибудь знает физический адрес устройства, обладающего следующим IP-адресом?» Когда получатель с этим IP-адресом примет этот пакет, то должен будет ответить: «Да, это мой IP-адрес. Мой физический адрес следующий: …» После этого отправитель обновит свой кэш ARP и будет способен передать информацию получателю. Ниже приведён пример запроса и ответа ARP.<см. внизу страницы>

Записи в кэше ARP могут быть статическими и динамическими. Пример, данный выше, описывает динамическую запись кэша. Можно также создавать статические  записи в таблице ARP.