Сложно о простом. Сетевой уровень (L3) модели OSI
Приветствую, коллеги! Меня зовут ProstoKirReal, и сегодня мы продолжим наше путешествие по модели OSI, обсудив сетевой уровень (L3). Этот уровень отвечает за маршрутизацию данных между различными сетями.
Предыдущие части:
❯ Сетевой уровень и аналогия с почтой
Данный уровень очень часто сравнивают с почтой, и я не останусь в стороне. Если MAC-адрес, в предыдущей статье, мы сравнивали с номером и серией в паспорте, то IP-адрес на этом уровне можно сравнить с именем и фамилией. Когда вы хотите отправить бумажное письмо своему другу, вы пишете от кого (Иван Иванов) и куда (Петр Петров). Если оба этих человека находятся в поле одной почты (в рамках одной локальной сети), то письмо сразу отправляется в соседний дом Петру.
Если вы хотите отправить письмо своему знакомому в другой город, то в письме вы пишете от кого (Иван Иванов) и ваш город (например, Москва), а также кому (Сережа Сидоров) и город вашего знакомого (например, Владивосток). Другой город можно сравнить с адресацией пакета в другую сеть (например, из LAN вы отправляете пакет в WAN). За передачу пакетов данных в другую сеть отвечает сетевой уровень (L3) модели OSI.
❯ IP-пакет и его структура
Что такое пакет данных на этом уровне?
IP-пакет — это единица данных, передаваемая через сеть на межсетевом уровне. Он включает в себя заголовок и полезную нагрузку (данные).
Состав IP-пакета:
- Заголовок IP-пакета: содержит информацию, необходимую для маршрутизации и доставки пакета. Включает такие поля, как IP-адреса отправителя и получателя, длина пакета, флаги, контрольная сумма и другие.
- Полезная нагрузка: данные, которые передаются, могут включать сегменты транспортного уровня (например, TCP или UDP-сегменты).
Основные компоненты IP-пакета (для IPv4):
1. Заголовок:
- Version (Версия): указывает версию IP-протокола (4 для IPv4).
- Header Length (Длина заголовка): длина заголовка в 32-битных словах.
- Type of Service (Тип обслуживания): качество обслуживания и приоритет.
- Total Length (Общая длина): общая длина пакета в байтах.
- Identification (Идентификация): уникальный идентификатор пакета.
- Flags (Флаги): управление фрагментацией.
- Fragment Offset (Смещение фрагмента): положение фрагмента в исходном пакете.
- Time to Live (Время жизни): максимальное число маршрутизаторов.
- Protocol (Протокол): протокол транспортного уровня (например, TCP или UDP).
- Header Checksum (Контрольная сумма заголовка): контрольная сумма заголовка.
- Source IP Address (IP-адрес отправителя): IP-адрес отправителя.
- Destination IP Address (IP-адрес получателя): IP-адрес получателя.
- Options (Опции): дополнительные опции, если есть.
2. Полезная нагрузка:
Данные, которые могут быть сегментом TCP, датаграммой UDP или данными другого протокола транспортного уровня.
Каждый заголовок в рамках данной статьи разбирать не буду, это отдельная тема для обсуждения, так как информации по ним очень много.
❯ Сетевой уровень и его функции
Что такое сетевой уровень?
Сетевой уровень (Network Layer) — это третий уровень модели OSI. Он отвечает за маршрутизацию пакетов данных между узлами сети, логическую адресацию и определение пути передачи данных через различные сети.
Основные функции сетевого уровня:
- Маршрутизация: определение оптимальных путей для передачи данных между сетями.
- Логическая адресация: присвоение и управление IP-адресами.
- Фрагментация: разделение больших пакетов данных на меньшие фрагменты для передачи.
- Перенаправление: обеспечение передачи данных через промежуточные узлы.
❯ Пояснение про фрагментацию
Некоторые сетевые устройства могут передавать пакеты большой длины, в то время как другие устройства имеют ограничения на максимальный размер передаваемого пакета (MTU — Maximum Transmission Unit). Когда пакет, превышающий размер MTU, должен пройти через такое устройство, он разбивается на несколько меньших фрагментов. Этот процесс называется фрагментацией.
Фрагментация позволяет передавать большие объемы данных по сети, разделяя их на более мелкие части, которые могут быть обработаны и переданы через сети с меньшим MTU. При этом каждый фрагмент получает заголовок, содержащий информацию, необходимую для его повторной сборки в исходный пакет на стороне получателя.
Передача больших пакетов может быть более эффективной, так как уменьшает накладные расходы на обработку каждого пакета. Чем больше размер пакета, тем меньше относительные затраты на обработку каждого байта данных. Это позволяет снизить общие затраты на обработку и увеличить скорость передачи данных. В то же время, при передаче меньших пакетов увеличивается количество заголовков и, соответственно, накладные расходы на обработку каждого пакета.
❯ Что будет если в сети два одинаковых IP-адреса?
В сети каждый узел должен иметь уникальный IP-адрес. Если два устройства имеют одинаковый IP-адрес, это приводит к конфликту адресов, что может вызвать серьезные проблемы.
Последствия конфликта IP-адресов:
- Нестабильность сети: устройства могут время от времени терять подключение к сети или испытывать проблемы с доступом к ресурсам.
- Проблемы с коммуникацией: пакеты данных могут доставляться не тому устройству, для которого они предназначены, что приводит к потере данных.
- Снижение производительности: конфликты IP-адресов могут привести к замедлению работы сети, так как устройства и маршрутизаторы пытаются разрешить конфликт.
- Сетевые ошибки: сообщения об ошибках могут появляться на устройствах, что затрудняет диагностику и устранение других проблем в сети.
- Использование DHCP: динамическое назначение IP-адресов с помощью DHCP-сервера может помочь избежать конфликтов адресов, так как сервер следит за уникальностью назначаемых адресов.
- Статическая адресация: при статической адресации важно тщательно планировать и документировать назначение IP-адресов, чтобы избежать дублирования.
- Мониторинг сети: регулярное сканирование и мониторинг сети помогут быстро выявлять и устранять конфликты IP-адресов.
❯ Основные технологии и протоколы
1. IP (Internet Protocol):
- Интернет-протокол (IP) — основной протокол, используемый для передачи данных в Интернете и других сетях. IP-пакеты содержат информацию о маршрутизации и адресации, позволяя данным перемещаться между устройствами в сети. Существует две версии IP: IPv4 и IPv6.
- IPv4: Использует 32-битные адреса (например, 192.168.0.1), что позволяет создать около 4,3 миллиарда уникальных адресов.
- IPv6: Использует 128-битные адреса (например, 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334), что позволяет создать значительно больше уникальных адресов.
2. ARP (Address Resolution Protocol):
- Протокол разрешения адресов (ARP) — протокол, используемый для сопоставления IP-адресов с физическими (MAC) адресами устройств в локальной сети (LAN). Когда устройство отправляет данные на другой хост в той же локальной сети, оно использует ARP для определения MAC-адреса целевого устройства на основе его IP-адреса.
3. IPsec (Internet Protocol Security):
- Протокол безопасности Интернета (IPsec) — набор протоколов для обеспечения безопасности передачи данных по IP-сетям. Он обеспечивает три основных функции:
— Аутентификация: подтверждение подлинности источника данных.
— Целостность данных: гарантия того, что данные не были изменены во время передачи.
— Шифрование: защита данных от несанкционированного доступа.
- IPsec часто используется для создания VPN (Virtual Private Networks).
4. ICMP (Internet Control Message Protocol):
- Протокол сообщений управления в Интернете (ICMP) — используется для диагностики сетевых проблем и обмена сообщениями об ошибках. Наиболее известное использование ICMP — команда ping, которая проверяет доступность узла в сети.
5. IGMP (Internet Group Management Protocol):
- Протокол управления группами Интернета (IGMP) — используется для управления членством в мультикаст-группах. Мультикаст — это метод передачи данных от одного отправителя к нескольким получателям одновременно. IGMP позволяет маршрутизаторам узнавать, какие устройства в локальной сети хотят получать данные от конкретных мультикаст-групп.
6. OSPF (Open Shortest Path First):
- Протокол открытого кратчайшего пути первым (OSPF) — протокол маршрутизации, используемый для определения наиболее эффективного пути передачи данных через IP-сеть. OSPF является протоколом внутренней маршрутизации (Interior Gateway Protocol, IGP) и использует алгоритм Дейкстры для нахождения кратчайшего пути между маршрутизаторами.
Дополнительные протоколы и технологии
1. BGP (Border Gateway Protocol):
- Протокол маршрутизации между автономными системами в Интернете. BGP отвечает за обмен маршрутизационной информацией между сетями, что позволяет данным находить пути через множество различных сетей.
2. RIP (Routing Information Protocol):
- Простой протокол маршрутизации, использующий алгоритм расстояние-вектор. RIP обновляет маршрутизационные таблицы через определенные интервалы времени, что делает его подходящим для небольших сетей.
3. NAT (Network Address Translation):
- NAT позволяет нескольким устройствам в локальной сети использовать один общий публичный IP-адрес для выхода в Интернет. Это помогает экономить IP-адреса и обеспечивает дополнительный уровень безопасности.
4. SDN (Software-Defined Networking):
- SDN позволяет централизованно управлять сетевой инфраструктурой с помощью программного обеспечения. Это обеспечивает большую гибкость и масштабируемость при управлении сетями.
❯ Применение сетевого уровня на практике
Сетевой уровень используется для передачи данных между различными сетями. Например, когда вы отправляете сообщение через Интернет, маршрутизаторы определяют оптимальный путь для передачи вашего сообщения от вашего компьютера до сервера получателя.
Диагностические утилиты:
- * Traceroute: утилита, используемая для определения маршрута, по которому пакеты данных следуют до целевого хоста. Traceroute помогает выявлять проблемы с маршрутизацией и задержками в сети.
- * Wireshark: программа для анализа сетевых пакетов, которая позволяет детально изучать трафик в сети и выявлять различные проблемы на сетевом уровне.
❯ Заключение
Сетевой уровень модели OSI обеспечивает маршрутизацию данных между сетями и управление логической адресацией. Понимание этого уровня поможет вам эффективно настраивать и обслуживать маршрутизаторы и другие сетевые устройства.
В следующей статье мы рассмотрим транспортный уровень (L4) и его роль в обеспечении надежной передачи данных.
Спасибо за внимание, и до встречи в следующей статье!
Читайте также:
Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram-канале ↩
