 |
Лекция 7. Функции маршрутизаторов.
|
|
|
|
Краткая аннотация лекции: приведены основные устройства и методы межсетевого взаимодействия, основные элементы маршрутизаторов, принципы маршрутизации, функции протокола ARP, функционирование таблиц маршрутизации..
Цель лекции: изучить принципы и средства межсетевого взаимодействия.
7.1. Маршрутизаторы в сетевых технологиях
Устройствами, объединяющими нескольких локальных сетей в глобальную (распределенную, составную) WAN в составную сеть, являются: маршрутизаторы (routers), модемы, коммуникационные серверы. Наиболее распространенными устройствами межсетевого взаимодействия сетей, подсетей и устройств являются маршрутизаторы. Они представляют собой специализированные компьютеры для выполнения специфических функций сетевых устройств.
На Рисунок6.1 приведен пример того, как локальные сети через последовательный интерфейс маршрутизатора С соединены с сетью Интернет (Internet). В большинстве случаев соединение маршрутизатора локальной сети с сетью Интернет производится через сеть провайдера. Терминальное (оконечное) оборудование (Data Terminal Equipment - DTE), к которому относится и маршрутизатор, подсоединяется к глобальной сети (или к сети провайдера) через канальное телекоммуникационное оборудование (Data Communications Equipment или Data Circuit-terminating Equipment – DCE). Маршрутизатор обычно является оборудованием пользователя, а оборудование DCE предоставляет провайдер. Услуги, предоставляемые провайдером для терминальных устройств DTE, доступны через модем или каналообразующее оборудование, согласующее с каналом устройство (Channel Service Unit /Data Service Unit – CSU/DSU), которые и являются оборудованием DCE (Рисунок 7.1).
Рисунок7.1. Устройства распределенных сетей
|
|
|
Оборудование DCE является ведущим в паре DCE – DTE, оно обеспечивает синхронизацию и задает скорость передачи данных.
Поскольку маршрутизаторы в распределенных сетях (Рисунок 6.1) часто соединяются последовательно, то из двух последовательно соединенных серийных интерфейсов маршрутизаторов один должен выполнять роль устройства DCE, а второй – устройства DTE (Рисунок7.2).
Рисунок 7.2. Последовательное соединение маршрутизаторов
Главными функциями маршрутизаторов являются:
1. Выбор наилучшего (оптимального) пути для пакетов к адресату назначения.
2. Продвижение (коммутация) принятого пакета с входного интерфейса на соответствующий выходной интерфейс.
Таким образом, маршрутизаторы обеспечивают связь между сетями и определяют наилучший путь пакета данных к сети адресата, причем, технологии объединяемых локальных сетей могут быть различными.
Протоколы канального (data link) уровня WAN описывают, как по сети передаются кадры. Они включают протоколы, обеспечивающие функционирование через выделенные соединения точка-точка и через коммутируемые соединения. Основными WAN протоколами и стандартами канального уровня являются: High-level data link control (HDLC), Point-to- Point Protocol (PPP), Synchronous Data Link Control (SDLC), Serial Line Internet Protocol (SLIP), X.25, Frame Relay, ATM. Основными протоколами и стандартами физического уровня являются: EIA/TIA-232, EIA/TIA-449, V.24, V.35, X.21, G.703, EIA-530, xDSL, PDH, SDH, OTN и др.
Функционируя на Уровне 3 модели OSI, маршрутизаторы принимают решения, базируясь на сетевых логических адресах (IP-адресах). Для определения наилучшего пути передачи данных через связываемые сети, маршрутизаторы строят таблицы маршрутизации и обмениваются сетевой маршрутной информацией с другими маршрутизаторами. Администратор может конфигурировать статические маршруты и поддерживать таблицы маршрутизации вручную. Однако большинство таблиц маршрутизации создается и поддерживается динамически, за счет использования протоколов маршрутизации (routing protocol), которые позволяют маршрутизаторам автоматически обмениваться друг с другом информацией о сетевой топологии.
|
|
|
Функционирование маршрутизаторов происходит под управлением сетевой операционной системы (Internetwork Operation System – IOS), текущая (running) версия которой находится в оперативной памяти RAM (Рисунок6.4). Помимо текущей версии IOS оперативная память хранит активный конфигурационный файл (Active Configuration File), таблицы протоколов динамической маршрутизации, выполняет буферизацию пакетов и поддерживает их очередь, обеспечивает временную память для конфигурационного файла маршрутизатора пока включено питание.
Загрузка операционной системы IOS в оперативную память обычно производится из энергонезависимой флэш-памяти (Flash), которая является перепрограммируемым запоминающим устройством (ППЗУ). После модернизации IOS она перезаписывается во флэш-память, где может храниться несколько версий. Версию операционной системы можно также сохранять на TFTP-сервере (Рисунок7.3).
Рисунок7.3. Элементы памяти и программы маршрутизатора
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ – ROM) содержит программу начальной загрузки (bootstrap) и сокращенную версию операционной системы, установленную при изготовлении маршрутизатора. Обычно эта версия IOS используется только при выходе из строя Flash памяти. Память ROM также поддерживает команды для теста диагностики аппаратных средств (power-on self test - POST).
Энергонезависимая (non-volatile) оперативная память NVRAM маршрутизатора является перепрограммируемым запоминающим устройством (ППЗУ). NVRAM хранит стартовый (startup) конфигурационный файл, который после изменения конфигурации перезаписывается в ППЗУ, где создается резервная копия (backup). Конфигурационные файлы содержат команды и параметры управления потоком трафика, проходящим через маршрутизатор. Конфигурационный файл используется для выбора сетевых протоколов и протоколов маршрутизации, которые определяют наилучший путь для пакетов к адресуемой сети. Первоначально конфигурационный файл обычно создается с консольной линии (console) и помимо памяти NVRAM может сохраняться на TFTP-сервере (Рисунок 7.3). Временное хранение входящих и исходящих пакетов обеспечивается в памяти интерфейсов, которые могут быть выполнены на материнской плате или в виде отдельных модулей.
|
|
|
При включении маршрутизатора начинает функционировать программа начальной загрузки bootstrap, которая тестирует оборудование и загружает операционную систему IOS в оперативную память RAM. В оперативную память загружается также конфигурационный файл, хранящийся в NVRAM. В процессе конфигурирования маршрутизатора задаются адреса интерфейсов, пароли, создаются таблицы маршрутизации, устанавливаются протоколы, проводится проверка параметров. Процесс коммутации и продвижения данных проходит под управлением операционной системы.
7.2. Принципы маршрутизации
Информационный поток данных, созданный на прикладном уровне, на транспортном уровне “нарезается” на сегменты, которые на сетевом уровне снабжаются заголовками и образуют пакеты. Заголовок пакета содержит сетевые IP-адреса узла назначения и узла источника. На основе этой информации устройства сетевого уровня (маршрутизаторы) осуществляют передачу пакетов между узлами составной сети по определенному маршруту.
Маршрутизатор оценивает доступные пути к адресату назначения и выбирает наиболее рациональный маршрут на основе некоторого критерия – метрики. При оценке возможных путей маршрутизаторы используют информацию о топологии сети. Эта информация может быть сконфигурирована сетевым администратором или собрана в ходе динамического процесса обмена информацией между маршрутизаторами, который выполняется в сети протоколами маршрутизации.
Пакет, принятый на одном (входном) интерфейсе, маршрутизатор должен отправить (продвинуть) на другой (выходной) интерфейс (порт), который соответствует наилучшему пути к адресату. Чтобы передать пакеты от исходной сети (от источника) до сети адресата (назначения), на сетевом Уровне 3 маршрутизаторы используют таблицы маршрутизации для определения наиболее рационального пути.
Процесс прокладывания маршрута происходит последовательно от маршрутизатора к маршрутизатору. При прокладывании пути каждый маршрутизатор анализирует сетевую часть адреса узла назначения, заданного в заголовке поступившего пакета, т.е. вычленяет адрес сети назначения из адреса узла. Затем маршрутизатор обращается к таблице маршрутизации, где хранятся адреса всех доступных сетей, и определяет свой выходной интерфейс, на который необходимо передать (продвинуть) пакет. Итак, маршрутизатор ретранслирует пакет, продвигая его с входного интерфейса на выходной, при этом используя адрес назначения и таблицу маршрутизации.
|
|
|
Выходной интерфейс связан с наиболее рациональным маршрутом к адресату. Конечный маршрутизатор на пути пакета непосредственно (прямо) связан с сетью назначения. Он использует логический (IP) и физический (MAC) адрес узла назначения, чтобы доставить пакет получателю данных.
Процесс ретрансляции пакетов маршрутизаторами рассмотрен на примере сети, приведенной на Рисунок 7.4. Маршрутизаторы в целом сетевого адреса не имеют, но поскольку они связывают между собой несколько сетей, то каждый интерфейс (порт) маршрутизатора имеет уникальный адрес, сетевая часть которого совпадает с номером сети, соединенной с данным интерфейсом. Последовательные (serial) порты, соединяющие между собой маршрутизаторы, на рисунке обозначены молниевидной линией.
Рисунок 7.4. Определения пути пакета
Путь от маршрутизатора A к маршрутизатору В может быть выбран:
1. Через маршрутизатор С;
2. Через маршрутизаторы D и E;
3. Через маршрутизаторы F, G и H.
7.4. Таблицы маршрутизации
При получении кадра маршрутизатор А (Рисунок 7.5) извлекает из кадра пакет, обрабатывает заголовок поступившего пакета, чтобы определить сеть адресата, затем использует таблицу маршрутизации и продвигает пакет на выходной интерфейс. Пакет вновь инкапсулируется в новый кадр данных и направляется следующему маршрутизатору B, при этом в заголовке кадра указывается новый МАС-адрес входного интерфейса этого маршрутизатора. Этот процесс происходит каждый раз, когда пакет проходит через очередной маршрутизатор. В конечном маршрутизаторе (в данном примере – маршрутизатор C, Рисунок 7.5), который связан с сетью узла назначения Сеть 2, пакет инкапсулируется в кадр локальной сети адресата с МАС-адресом устройства назначения и доставляется адресату Host Y. Для продвижения пакета к узлу назначения маршрутизатор использует таблицу маршрутизации, основными параметрами которой являются номер (адрес) сети назначения и сетевой адрес входного интерфейса следующего маршрутизатора на пути к адресату назначения. Этот адрес интерфейса получил название следующего перехода (next hop address).
|
|
|
Таким образом, в таблице задаются:
- адрес сети назначения;
- адрес следующего перехода;
- другие дополнительные параметры, которые различаются для разных протоколов маршрутизации и маршрутизаторов разных фирм, производящих оборудование.
Из дополнительных параметров в таблицы маршрутизации включается информация:
- о маршрутизации (статической или динамической),
- об используемых протоколах маршрутизации,
- о метрике, используемой при выборе возможного пути.
Принцип построения таблиц маршрутизации рассмотрен на примере сети, построенной на маршрутизаторах и коммутаторах (Рисунок 7.11).
Рисунок 7.11. Принцип маршрутизации в сети
Последовательные (serial) интерфейсы маршрутизаторов на Рисунок 7.11 соединены между собой молниевидной линией, а интерфейсы FastEthernet – прямой линией. В приведенной схеме, например, D-f1 означает – первый FastEthernet интерфейс маршрутизатора D, В-s2 – второй последовательный интерфейс маршрутизатора B.
Таблица маршрутизации, например, маршрутизатора B (табл. 7.2), содержит информацию о маршрутах ко всем сетям (Рисунок 7.11). Маршрут к Cети 1 лежит через последовательный интерфейс A-s1 маршрутизатора А, к Cети 3 – через последовательный интерфейс С-s1 маршрутизатора С, а к сетям Сеть 6, Сеть 7 – через интерфейс D-е1 маршрутизатора D. Адреса входных интерфейсов маршрутизаторов на пути следования пакета к адресату назначения называются адресами следующего перехода (next hop).
Таблица 7.2
Вместо адреса следующего перехода часто указывают обозначение выходного интерфейса маршрутизатора, отправляющего пакет. Поскольку выходной интерфейс маршрутизатора, отправляющего пакет, и входной интерфейс следующего маршрутизатора на пути к адресату назначения соединены между собой, то противоречий при этом никаких нет.
Краткие итоги лекции 7
1. Главными функциями маршрутизаторов являются: выбор наилучшего пути для пакетов к адресату назначения и продвижение принятого пакета с входного интерфейса на соответствующий выходной интерфейс.
2. Конфигурационный файл хранится в памяти NVRAM. Он содержит команды и параметры для управления потоком трафика. Конфигурационный файл задает сетевые протоколы и протоколы маршрутизации, которые определяют наилучший путь для пакетов к адресуемой сети.
3. Маршрутизатор оценивает доступные пути к адресату назначения и выбирает наиболее рациональный маршрут на основе некоторого критерия – метрики.
4. Администратор может конфигурировать статические маршруты и поддерживать таблицы маршрутизации вручную. Однако большинство таблиц маршрутизации создается и поддерживается динамически, за счет использования протоколов маршрутизации, которые позволяют маршрутизаторам автоматически обмениваться информацией о сетевой топологии друг с другом.
5. Маршрутизатор ретранслирует пакет, продвигая его с входного интерфейса на выходной, для чего использует сетевую часть адреса назначения и обращается к таблице маршрутизации.
6. Основными параметрами таблицы маршрутизации являются адрес сети назначения и сетевой адрес входного интерфейса следующего маршрутизатора на пути к адресату назначения (следующий переход – next hop) или собственный выходной интерфейс маршрутизатора.
7. Протокол разрешения адресов (ARP) – реализует процесс нахождения МАС-адреса по известному сетевому адресу (IP-адресу). Таблица ARP содержит MAC и IP адреса устройств локальной сети.
8. Шлюз по умолчанию (Gateway Default) – это интерфейс, через который все пакеты из локальной сети будут передаваться в удаленные сети.
9. При передаче данных через составную сеть IP-адреса узла назначения и узла источника остаются неизменными.
10. При передаче данных через составную сеть МАС-адреса назначения и источника меняются при прохождении каждого маршрутизатора.
11. При формировании кадра вычисляется контрольная сумма, которая записывается в поле FCS трейлера кадра. При приеме кадра на каждом входном интерфейсе вновь вычисляется контрольная сумма, которая сравнивается с принятой.
12. При передаче данных через соединения «точка-точка» заголовок кадра может быть существенно упрощен.
|
|
|
