Работа маршрутизаторов в компьютерной сети

Работа маршрутизаторов в компьютерной сети

ВВЕДЕНИЕ

Hub-ы, организующие рабочую группу, bridge-и, соединяющие два сегмента

сети и локализующие трафик в пределах каждого из них, а также switch-и,

позволяющие соединять несколько сегментов локальной вычислительной сети -

это все устройства, предназначенные для работы в сетях IEEE 802.3 или

Еthernet. Однако, существует особый тип оборудования, называемый

маршрутизаторами (routеrs), который применяется в сетях со сложной

конфигурацией для связи ее участков с различными сетевыми протоколами (в

том числе и для доступа к глобальным (WАN) сетям), а также для более

эффективного разделения трафика и использования альтернативных путей между

узлами сети. Основная цель применения маршрутизаторов - объединение

разнородных сетей и обслуживание альтернативных путей.

Различные типы маршрутизаторов отличаются количеством и типами своих

портов, что собственно и определяет места их использования. Маршрутизаторы,

например, могут быть использованы в локальной сети Ethernet для

эффективного управления трафиком при наличии большого числа сегментов сети,

для соединения сети типа Еthernet с сетями другого типа, например Тоkеn

Ring, FDDI, а также для обеспечения выходов локальных сетей на глобальную

сеть.

Маршрутизаторы не просто осуществляют связь разных типов сетей и

обеспечивают доступ к глобальной сети, но и могут управлять трафиком на

основе протокола сетевого уровня (третьего в модели OSI), то есть на более

высоком уровне по сравнению с коммутаторами. Необходимость в таком

управлении возникает при усложнении топологии сети и росте числа ее узлов,

если в сети появляются избыточные пути (при поддержке протокола IEEE 802.1

Spanning Тгее), когда нужно решать задачу максимально эффективной и быстрой

доставки отправленного пакета по назначению.

1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1 НАЗНАЧЕНИЕ МАРШРУТИЗАТОРОВ

Если бы существовала среда с безграничной пропускной способностью,

способная обеспечить непосредственную связь всех компьютеров друг с другом

в одной сети, никаких маршрутизаторов бы не понадобилось. В реальности же

мы зачастую не можем обеспечить такую связь даже в пределах одного здания.

Физические пределы, соображения надежности и безопасности заставляют

дробить сети на подсети. Маршрутизаторы же выступают в роли некоего клея,

их объединяющего.

Что это такое - маршрутизатор? Это компьютер, имеющий несколько

сетевых интерфейсов, причем разные интерфейсы принадлежат разным сетям.

(Всякого рода аппаратные маршрутизаторы, наподобие тех, что выпускают Bay

Networks и Cisco, тоже являются компьютерами, пусть и специализированными.)

Задача маршрутизатора - переправлять пакеты данных между интерфейсами.

Сетевые интерфейсы могут быть разными - сетевые карты Ethernet, модемы на

выделенных и коммутируемых линиях, X.25 PAD, ISDN и т. д.

В зависимости от сложности сети, нам требуется либо статическая, либо

динамическая маршрутизация, либо их сочетание. Статическая маршрутизация

применяется тогда, когда пути следования пакетов можно задать заранее. Один

из жизненных примеров: сеть на тонком коаксиальном кабеле очень ненадежна,

и, чтобы хоть немного повысить надежность, где-то в середине ее поставили

компьютер с двумя сетевыми интерфейсами. Другой пример - подключение

локальной сети к провайдеру Internet. Здесь известно, что все пакеты, не

относящиеся к данной локальной сети, надо передать провайдеру, а он уже сам

должен с ними разбираться.

Когда нужна динамическая маршрутизация? Возьмем такой пример, чисто

учебный (рисунок ниже). Пусть у нас имеются три сети (A, B и C), каждая из

которых соединена с каждой маршрутизаторами по выделенной линии.

Фактически, кстати, возникают еще три сети - это соединения AB, BC и AC

(обозначим их AB, BC и AC). Из сети A мы желаем работать с компьютером в B.

Пакеты могут достигнуть его двумя путями: либо через выделенную линию AB,

либо проходя через AC, сеть C и далее через BC. Мы можем воспользоваться

статической маршрутизацией и жестко задать маршрут (пакеты для B передавать

только через AB), но хочется, чтобы при возможном разрыве связи AB пакеты

автоматически пошли по альтернативному пути, а при восстановлении связи был

восстановлен старый путь. Это и есть динамическая маршрутизация. Программы-

демоны должны следить за состоянием сети и автоматически находить наиболее

выгодный маршрут.

[pic]

1.2 ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ УРОВНИ МОДЕЛИ OSI

Перемещение информации между компьютерами различных схем является

чрезвычайно сложной задачей. В начале 1980 гг. Международная Организация по

Стандартизации (ISO) признала необходимость в создания модели сети, которая

могла бы помочь поставщикам создавать реализации взаимодействующих сетей.

Эту потребность удовлетворяет эталонная модель "Взаимодействие Открытых

Систем" (OSI), выпущенная в 1984 г.

Эталонная модель OSI быстро стала основной архитектурной моделью для

передачи межкомпьютерных сообщений. Несмотря на то, что были разработаны

другие архитектурные модели (в основном патентованные), большинство

поставщиков сетей, когда им необходимо предоставить обучающую информацию

пользователям поставляемых ими изделий, ссылаются на них как на изделия для

сети, соответствующей эталонной модели OSI. И действительно, эта модель

является самым лучшим средством, имеющемся в распоряжении тех, кто надеется

изучить технологию сетей.

Эталонная модель OSI делит проблему перемещения информации между

компьютерами через среду сети на семь менее крупных, и следовательно, более

легко разрешимых проблем. Каждая из этих семи проблем выбрана потому, что

она относительно автономна, и следовательно, ее легче решить без чрезмерной

опоры на внешнюю информацию.

Каждая из семи областей проблемы решалась с помощью одного из уровней

модели. Большинство устройств сети реализует все семь уровней. Однако в

режиме потока информации некоторые реализации сети пропускают один или

более уровней. Два самых низших уровня OSI реализуются аппаратным и

программным обеспечением; остальные пять высших уровней, как правило,

реализуются программным обеспечением.

Справочная модель OSI описывает, каким образом информация проделывает

путь через среду сети (например, провода) от одной прикладной программы

(например, программы обработки крупноформатных таблиц) до другой прикладной

программы, находящейся в другом компьютере. Т.к.информация, которая должна

быть отослана, проходит вниз через уровни системы, по мере этого

продвижения она становится все меньше похожей на человеческий язык и все

больше похожей на ту информацию, которую понимают компьютеры, а именно

"единицы" и "нули".

Эталонная модель OSI не является реализацией сети. Она только

определяет функции каждого уровня. В этом отношении она напоминает план для

постройки корабля. Точно также, как для выполнения фактической работы по

плану могут быть заключены контракты с любым количеством

кораблестроительных компаний, любое число поставщиков сети могут построить

протокол реализации по спецификации протокола. И если этот план не будет

предельно понятным, корабли, построенные различными компаниями,

пользующимися одним и тем же планом, пусть незначительно, но будут

отличаться друг от друга. Примером самого незначительного отличия могут

быть гвозди, забитые в разных местах.

Чем объясняется разница в реализациях одного и того же плана корабля

(или спецификации протокола)? Частично эта разница вызвана неспособностью

любой спецификации учесть все возможные детали реализации. Кроме того,

разные люди, реализующие один и тот же проект, всегда интерпретируют его

немного по-разному. И наконец, неизбежные ошибки реализации приводят к

тому, что изделия разных реализаций отличаются исполнением. Этим

объясняется то, что реализация протокола Х одной компании не всегда

взаимодействует с реализацией этого протокола, осуществленной другой

компанией.

Уровни OSI:

Прикладной уровень

Прикладной уровень - это самый близкий к пользователю уровень OSI. Он

отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из

других уровней OSI; однако он обеспечивает ими прикладные процессы, лежащие

за пределами масштаба модели OSI. Примерами таких прикладных процессов

могут служить программы обработки крупномасштабных таблиц, программы

обработки слов, программы банковских терминалов и т.д.

Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие

предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие

прикладные программы, а также устанавливает соглашение по процедурам

устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень

также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для

предполагаемой связи.

Представительный уровень

Представительный уровень отвечает за то, чтобы информация, посылаемая

из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня

другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет

трансляцию между множеством форматов представления информации путем

использования общего формата представления информации.

Представительный уровень занят не только форматом и представлением

фактических данных пользователя, но также структурами данных, которые

используют программы. Поэтому кроме трансформации формата фактических

данных (если она необходима), представительный уровень согласует синтаксис

передачи данных для прикладного уровня.

Сеансовый уровень

Как указывает его название, сеансовый уровень устанавливает, управляет

и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы

состоят из диалога между двумя или более об'ектами представления (как вы

помните, сеансовый уровень обеспечивает своими услугами представительный

уровень). Сеансовый уровень синхронизирует диалог между об'ектами

представительного уровня и управляет обменом информации между ними. В

дополнение к основной регуляции диалогов (сеансов) сеансовый уровень

предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления

в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительного и

прикладного уровней.

Транспортный уровень

Граница между сеансовым и транспортным уровнями может быть

представлена как граница между протоколами прикладного уровня и протоколами

низших уровней. В то время как прикладной, представительный и сеансовый

уровни заняты прикладными вопросами, четыре низших уровня решают проблемы

транспортировки данных.

Транспортный уровень пытается обеспечить услуги по транспортировке

данных, которые избавляют высшие слои от необходимости вникать в ее детали.

В частности, заботой транспортного уровня является решение таких вопросов,

как выполнение надежной транспортировки данных через об'единенную сеть.

Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы

для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных

каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и

управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения

системы данными из другой системы).

Сетевой уровень

Сетевой уровень - это комплексный уровень, который обеспечивает

возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами,

подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных

географических пунктах. В данном случае "подсеть" - это по сути независимый

сетевой кабель (иногда называемый сегментом).

Т.к. две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять

значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой

уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают

оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой

подсетей. Традиционные протоколы сетевого уровня передают информацию вдоль

этих маршрутов.

Канальный уровень

Канальный уровень (формально называемый информационно-канальным

уровнем) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал.

Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации

(в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети,

линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой

канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных

и управления потоком информации.

Физический уровень

Физический уровень определяет электротехнические, механические,

процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и

дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации

физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений,

синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической

информации, максимальные расстояния передачи информации, физические

соединители и другие аналогичные характеристики.

2 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 ПРОТОКОЛЫ МАРШРУТИЗАЦИИ И ИХ МЕТРИКИ

2.1.1 Дистанционно-векторный протокол RIP

Протокол RIP (Routing Information Protocol) представляет собой один из

старейших протоколов обмена маршрутной информацией, однако он до сих пор

чрезвычайно распространен в вычислительных сетях. Помимо версии RIP для

сетей TCP/IP, существует также версия RIP для сетей IPX/SPX компании

Novell.

В этом протоколе все сети имеют номера (способ образования номера

зависит от используемого в сети протокола сетевого уровня), а все

маршрутизаторы - идентификаторы. Протокол RIP широко использует понятие

"вектор расстояний". Вектор расстояний представляет собой набор пар чисел,

являющихся номерами сетей и расстояниями до них в хопах.

Вектора расстояний итерационно распространяются маршрутизаторами по

сети, и через несколько шагов каждый маршрутизатор имеет данные о

достижимых для него сетях и о расстояниях до них. Если связь с какой-либо

сетью обрывается, то маршрутизатор отмечает этот факт тем, что присваивает

элементу вектора, соответствующему расстоянию до этой сети, максимально

возможное значение, которое имеет специальный смысл - "связи нет". Таким

значением в протоколе RIP является число 16.

На рисунке ниже приведен пример сети, состоящей из шести

маршрутизаторов, имеющих идентификаторы от 1 до 6, и из шести сетей от A до

F, образованных прямыми связями типа "точка-точка".

[pic]

Рис. Обмен маршрутной информацией по протоколу RIP

На рисунке приведена начальная информация, содержащаяся в топологической

базе маршрутизатора 2, а также информация в этой же базе после двух

итераций обмена маршрутными пакетами протокола RIP. После определенного

числа итераций маршрутизатор 2 будет знать о расстояниях до всех сетей

интерсети, причем у него может быть несколько альтернативных вариантов

отправки пакета к сети назначения. Пусть в нашем примере сетью назначения

является сеть D.

При необходимости отправить пакет в сеть D маршрутизатор просматривает

свою базу данных маршрутов и выбирает порт, имеющий наименьшее расстояния

до сети назначения (в данном случае порт, связывающий его с маршрутизатором

3).

Для адаптации к изменению состояния связей и оборудования с каждой

записью таблицы маршрутизации связан таймер. Если за время тайм-аута не

придет новое сообщение, подтверждающее этот маршрут, то он удаляется из

маршрутной таблицы.

При использовании протокола RIP работает эвристический алгоритм

динамического программирования Беллмана-Форда, и решение, найденное с его

помощью является не оптимальным, а близким к оптимальному. Преимуществом

протокола RIP является его вычислительная простота, а недостатками -

увеличение трафика при периодической рассылке широковещательных пакетов и

неоптимальность найденного маршрута.

На рисунке ниже показан случай неустойчивой работы сети по протоколу

RIP при изменении конфигурации - отказе линии связи маршрутизатора M1 с

сетью 1. При работоспособном состоянии этой связи в таблице маршрутов

каждого маршрутизатора есть запись о сети с номером 1 и соответствующим

расстоянием до нее.

[pic]

Рис. Пример неустойчивой работы сети при использовании протокола RIP

При обрыве связи с сетью 1 маршрутизатор М1 отмечает, что расстояние до

этой сети приняло значение 16. Однако получив через некоторое время от

маршрутизатора М2 маршрутное сообщение о том, что от него до сети 1

расстояние составляет 2 хопа, маршрутизатор М1 наращивает это расстояние на

1 и отмечает, что сеть 1 достижима через маршрутизатор 2. В результате

пакет, предназначенный для сети 1, будет циркулировать между

маршрутизаторами М1 и М2 до тех пор, пока не истечет время хранения записи

о сети 1 в маршрутизаторе 2, и он не передаст эту информацию маршрутизатору

М1.

Для исключения подобных ситуаций маршрутная информация об известной

маршрутизатору сети не передается тому маршрутизатору, от которого она

пришла.

Существуют и другие, более сложные случаи нестабильного поведения сетей,

использующих протокол RIP, при изменениях в состоянии связей или

маршрутизаторов сети.

2.1.2 Протокол состояния связей OSPF

Страницы: 1, 2, 3