Лекция 11. Функции маршрутизаторов

Учебные вопросы:

1. Маршрутизаторы в сетевых технологиях

2. Принципы маршрутизации

3. Протокол ARP

4. Таблицы маршрутизации

Вопрос №1. Маршрутизаторы в сетевых технологиях Наиболее распространенными устройствами межсетевого взаимодействия сетей, подсетей и устройств являются маршрутизаторы. Они представляют собой специализированные компьютеры для выполнения специфических функций сетевых устройств.

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).

Поскольку маршрутизаторы в распределенных сетях часто соединяются последовательно, то из двух последовательно соединенных серийных интерфейсов маршрутизаторов один должен выполнять роль устройства DCE, а второй - устройства DTE

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.

Основными WAN протоколами и стандартами канального уровня являются:

1. High-level data link control (HDLC),

2. Point-to-Point Protocol (PPP),

3. Synchronous Data Link Control (SDLC),

4. Serial Line Internet Protocol (SLIP),

5. X.25,

6. Frame Relay, 7. 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

Вопрос №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.

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.

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.

Определения пути пакета Маршрутизаторы в сети передачи данных Ethernet В процессе передачи пакета по сети используются как сетевые логические адреса (IP-адреса), так и физические адреса устройств (MAC- адреса в сетях Ethernet).

Когда узел Host Х Сети 1 передает пакет адресату Host Y из другой Сети 2, ему известен сетевой IP -адрес получателя, который записывается в заголовке пакета, т.е. известен адрес 3-го уровня. При инкапсуляции пакета в кадр источник информации Host Х должен задать в заголовке кадра адреса назначения и источника канального уровня, т.е. адрес 2-го уровня

Host Х Сети 1 сравнивает IP -адрес назначения со своим IP адресом и определяет, находятся ли эти адреса в одном сегменте сети или в разных сегментах. Если они находятся в разных сегментах, то данные будут переданы только при условии, что установлен шлюз по умолчанию.

Именно через этот интерфейс все пакеты из локальной Сети 1 будут передаваться в удаленные сети.

Поэтому Host Х в заголовке кадра задаст MAC -адрес входного интерфейса 1а маршрутизатора A в качестве адреса получателя.

Однако и этот адрес источнику информации Host Х не известен. Процесс нахождения МАС-адреса по известному сетевому адресу реализуется с помощью протокола разрешения адресов (Address Resolution Protocol - ARP), который входит в стек протоколов TCP/IP.

Вопрос №3. Протокол ARP Результат выполнения команды ipconfig / all Протокол ARP может по IP -адресу автоматически определить МАС- адрес устройства. Каждое устройство в сети поддерживает таблицу ARP, которая содержит соответствующие пары MAC и IP адреса других устройств той же локальной сети. Таблица ARP любого узла может быть просмотрена по команде arp - a. Записи таблицы хранятся в памяти RAM, где динамически поддерживаются.

Если узлы долго не передают данные, то соответствующие записи из таблицы удаляются.

Таблица ARP пополняется динамически путем контроля трафика локального сегмента сети. Все станции локальной сети Ethernet анализируют трафик, чтобы определить, предназначены ли данные для них. При этом IP и MAC -адреса источников дейтаграмм записываются в таблице ARP.

Когда устройство передает пакет по IP-адресу назначения, оно проверяет, имеется ли в ARP-таблице соответствующий МАСадрес назначения.

Если соответствующая запись имеется, то она используется при инкапсуляции пакета в кадр данных. Данные передаются по сетевой среде, устройство назначения принимает их.

Если узел не находит соответствующей записи в таблице ARP, то он для получения MAC-адреса назначения посылает в локальную сеть широковещательный ARP -запрос, в котором задается сетевой логический IP- адрес устройства назначения.

Все другие устройства сети анализируют его. Если у одного из локальных устройств IP -адрес совпадает с запрашиваемым, то устройство посылает ARP -ответ, который содержит пару IP и MAC адресов. Эта пара IP и MAC адресов записывается в ARP -таблице. Если в локальной сети нет запрашиваемого IP-адреса, то устройство источник сообщает об ошибке.

Вопрос №4. Таблицы маршрутизации При получении кадра маршрутизатор А 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), который связан с сетью узла назначения Сеть 2, пакет инкапсулируется в кадр локальной сети адресата с МАСадресом 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).

В таблице маршрутизации 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.

Лекция № 10. Особенности протоколов вектора расстояния

Учебные вопросы:

1. Основные параметры протоколов маршрутизации 2. Протокол RIP

Вопрос №1 Совокупность сетей, представленных набором маршрутизаторов под общим административным управлением, образует автономную систему. Примерами автономных систем являются сети провайдеров. Автономные системы нумеруются и в некоторых протоколах (IGRP, EIGRP) эти номера используются.

Маршрутизаторы функционируют в дейтаграммных сетях с коммутацией пакетов, где все возможные маршруты уже существуют. Поэтому пакету нужно лишь выбрать наилучший путь на основе метрики протокола маршрутизации. Процесс прокладывания пути производится последовательно от одного маршрутизатора к другому. Этот процесс маршрутизации (routing) является функцией Уровня 3 модели OSI. При прокладывании пути пакета маршрутизатор анализирует сетевой адрес узла назначения, заданный в заголовке пакета, и вычленяет из него адрес сети.

Адреса всех доступных сетей назначения хранятся в таблице маршрутизации. Поэтому маршрутизатор должен создавать и поддерживать таблицы маршрутизации, а также извещать другие маршрутизаторы о всех известных ему изменениях в топологии сети.

Маршрутизацию, т.е. прокладывание маршрута внутри автономных систем, осуществляют протоколы внутренней маршрутизации (Interior Gateway Protocols - IGP s), к которым относятся RIP, RIPv 2, IGRP, EIGRP, OSPF, Intermediate System-toIntermediate System (IS - IS).

Маршрутизацию между автономными системами производят протоколы внешней маршрутизации (Exterior Gateway Protocols EGP s). Примером протокола внешней маршрутизации является протокол BGP, который работает на граничных маршрутизаторах автономных систем

Маршрутизирующие протоколы, работающие внутри автономных систем, в свою очередь, подразделяются на протоколы вектора расстояния (distance - vector) и протоколы состояния канала (linkstate).

Протоколы вектора расстояния определяют расстояние и направление, т.е. вектор соединения в составной сети на пути к адресату. Расстояние может быть выражено в количестве переходов (hop count) или маршрутизаторов в соединении на пути от узла источника к адресату назначения, а также других значениях метрики.

При использовании протокола вектора расстояния маршрутизаторы посылают всю или часть таблицы маршрутизации соседним (смежным) маршрутизаторам через определенные интервалы времени.

В таких протоколах как RIP, обмен обновлениями (update) или модификациями происходит периодически, даже если в сети нет никаких изменений, на что затрачивается довольно большая часть полосы пропускания. Получив обновление маршрутной информации, маршрутизатор может заново вычислить все известные пути и произвести изменения в таблице маршрутизации.

Протоколы состояния канала создают полную картину топологии сети и вычисляют кратчайшие пути ко всем сетям назначения. Если путей несколько, то выбирают первый из вычисленных. Протоколы состояния канала (или соединения) быстрее реагируют на изменения в сети по сравнению с протоколами вектора расстояния, но при этом требуют больших вычислительных ресурсов.

Определение наиболее рационального (или оптимального) пути производится маршрутизатором на основе некоторого критерия – метрики. Значение метрики используется при оценке возможных путей к адресату назначения. Метрика может включать разные параметры, например: полосу пропускания, задержку, надежность, загрузку, обобщенную стоимость и другие параметры сетевого соединения.

Маршрутизаторы используют протоколы маршрутизации, чтобы создавать и поддерживать таблицы маршрутизации для определения маршрута. В большинстве случаев таблицы маршрутизации содержат: - Тип протокола, который идентифицирует протокол маршрутизации, который создавал каждый вход (строку) таблицы.

- Следующий переход (Next-hop) – указывает адрес следующего маршрутизатора на пути к адресату назначения. - Метрику, которая различается для разных протоколов. - Выходной интерфейс, через который данные должны быть отправлены к устройству назначения.

Сходимость или конвергенция (convergence) - это процесс согласования между всеми маршрутизаторами сети информации о доступных маршрутах. При изменениях состояния сети необходимо, чтобы обмен модификациями восстановил согласованную сетевую информацию.

Вопрос №2 Протокол RIP для своей работы использует алгоритм ФордаБеллмана. Функционирование алгоритма рассмотрено на примере сети из четырех последовательно соединенных маршрутизаторов, где Сеть 1 непосредственно присоединена к маршрутизатору А, поэтому метрика пути к Сети 1 из А равна 0. Протокол RIP каждые 30 сек. рассылает обновления.

Согласно алгоритма Беллмана-Форда маршрутизатор А посылает маршрутизатору В информацию о пути в Сеть 1, при этом добавляет 1 к значению вектора расстояния, т.е. увеличивает метрику (hop count) до единицы. Таким образом, в таблице маршрутизации В будет информация, что расстояние до Сети 1 равно одному переходу. Затем В посылает копию таблицы маршрутизации маршрутизатору С, увеличив метрику до 2. В свою очередь маршрутизатор С повышает значение метрики до 3 и обменивается маршрутной информацией с маршрутизатором D. То есть, результирующий вектор или расстояние поэтапно увеличивается.

Эта особенность алгоритма может приводить к появлению маршрутных петель в случае медленной конвергенции после изменений в сети

Предположим, что до изменений в представленной сети наилучшим путем к Сети 1 для маршрутизатора D был путь через маршрутизаторы С и В. Метрика пути из маршрутизатора D в Сеть 1 была равна 3 переходам. Если, например, Сеть 1 вышла из строя, то начинается обновление маршрутной информации.

При этом может возникнуть маршрутная петля:

1. Маршрутизатор А посылает обновление об изменении маршрутов маршрутизатору В и он прекращает передачу пакетов данных в Сеть

1. Но поскольку маршрутизаторы С, Е и D, еще не получили обновления, то они продолжают передачу.

2. Маршрутизатор В отправляет обновления маршрутизаторам С и Е, они прекращают отправлять пакеты в Сеть 1, но маршрутизатор D – продолжает. Он пока еще считает, что имеется путь в Сеть 1 через маршрутизатор С и метрика равна 3 переходам.

При этом может возникнуть маршрутная петля:

3. Если маршрутизатор D отправит обновление маршрутизатору Е, то в нем он укажет, что существует маршрут в Сеть 1 через маршрутизатор С, но метрика равна 4 переходам.

4. Маршрутизатор Е обновит свою таблицу маршрутизации и перешлет обновление маршрутизатору В с метрикой в 5 переходов, и так далее по кольцу.

5. В этом случае любой пакет, предназначенный Сети 1 будет передаваться по кольцу (по петле) от маршрутизатора D к маршрутизатору С, затем к В, Е и снова D.