Лекция 8. Функционирование маршрутизаторов
8.1. Назначение ip-адресов
Назначение IP-адреса может производиться администратором вручную или с помощью DHCP-сервера. Вручную назначаются адреса сетевым принтерам, серверам и интерфейсам маршрутизаторов. Варианты назначения адреса вручную могут иметь незначительные различия в зависимости от используемой в компьютере операционной системы. Обычно в главном меню компьютера необходимо последовательно выбрать и выполнить следующие опции:
“Пуск”, “Настройка”, “Панель управления”, “Сетевые подключения”,
“Подключение по локальной сети”,
Во всплывшем окне (рис. 8.1а) выбрать “Свойства”. В следующем окне выбрать “Протокол Интернета (TCP/IP)” (рис. 8.1б), затем “Свойства”
а) б)
Рис.8.1. Окна выбора протокола TCP/IP
После этого необходимо назначить IP-адрес, маску подсети и основной шлюз по умолчанию (рис.8.2).
Рис.8.2. Назначение IP-адреса администратором вручную
Протоколами автоматического назначения IP-адреса устройств (хостов – host) являются Reverse Address Resolution Protocol (RARP), протокол начальной загрузки (bootstrap protocol - BOOTP) и протокол динамического конфигурирования узлов Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP). В настоящее время, главным образом, используется протокол DHCP, который позволяет узлу динамически без участия администратора получать IP-адрес. Нужно только определить диапазон IP-адресов на DHCP-сервере.
Для запроса IP-адреса узел посылает в локальную сеть (рис.8.3) запрос с широковещательным IP-адресом назначения – 255.255.255.255 и МАС-адресом – FF:FF:FF:FF:FF:FF. В качестве МАС-адреса источника в запросе указывается адрес запрашивающего узла 01:AA:11:AA:11:AA. Такой запрос поступает на все устройства сети, в том числе на сервер DHCP. Все устройства отбрасывают пакет с запросом, за исключением сервера, который опознает запрос.
Рис.8.3. Передача ответа сервера DHCP
При получении запроса DHCP-сервер формирует ответ с широковещательным IP-адресом назначения, в ответе указывается выделяемый в аренду узлу IP-адрес. В заголовке ответа в качестве МАС-адреса назначения указывается адрес запрашивающего узла (01:AA:11:AA:11:AA). Поэтому все устройства отбрасывают пакет с ответом, за исключением узла, пославшего запрос. Кроме выделяемого в аренду IP-адреса в ответе DHCP-сервера содержится адрес основного шлюза по умолчанию и другая информация. На рис.8.3 основной шлюз имеет IP-адрес 192.168.1.1 и MAC-адрес 01:EE:55:ЕЕ:55:EE. Важным свойством DHCP является способность выделять IP-адрес в аренду динамически, т.е. сервер может изымать неиспользуемый адрес, а затем восстанавливать пользователю адрес, который использовался ранее.
8.2. Передача данных в сетях с маршрутизаторами
Процесс функционирования протоколов рассмотрен на примере передачи данных по сети (рис.8.4) от узла Host X до узла Host Y через маршрутизаторы A, B, C. Маршрутизаторы соединены между собой через последовательные порты FastEthernet, номера которых также приведены на рисунке. Интерфейсы FastEthernet характеризуются физическими МАС-адресами и логическими IP-адресами. Адреса узлов и интерфейсов маршрутизаторов, задействованных в процессе передачи, приведены в табл.8.1. Предположим, что сетевая маска во всех сетях одинакова и равна 255.255.255.0.
Рис.8.4. Передача данных по сети
Таблица 8.1
Адреса узлов и интерфейсов маршрутизаторов
Устройство |
Интерфейс |
IP-адрес |
МАС-адрес |
Host X |
F0/0 |
172.16.10.11 |
011ABC123456 |
Router_A |
F0/1 |
172.16.10.1 |
0001AAAA1111 |
F0/2 |
198.20.20.5 |
0002AAAA2222 |
|
Router_B |
F0/1 |
198.20.20.6 |
0001BBBB1111 |
F0/2 |
199.30.30.9 |
0002BBBB2222 |
|
Router_C |
F0/1 |
199.30.30.10 |
0001CCCC1111 |
F0/2 |
200.40.40.1 |
0002CCCC2222 |
|
Host Y |
F0/0 |
200.40.40.7 |
022DEF123456 |
Сообщение, сформированное протоколами верхних уровней компьютера Host X, поступает на сетевой уровень, где IP-протокол формирует пакет данных. Поскольку адрес назначения 200.40.40.7 не относится к сети 172.16.10.0, в которой находится Host X, то необходима маршрутизация.
Заголовок пакета |
Поле данных |
||
Первые поля заголовка пакета |
IP адрес узла источника 172.16.10.11 |
IP адрес узла назначения 200.40.40.7 |
Data |
Пакет данных |
|||
На канальном уровне узел Host X инкапсулирует сформированный пакет в кадр соответствующей технологии, например, FastEthernet. В заголовке кадра, наряду с другой информацией, указываются МАС-адреса источника и назначения. МАС-адрес источника в данном примере будет 011ABC123456. Поскольку МАС-адрес узла-получателя Host Y компьютеру Host X неизвестен, то узел Host X обращается к таблице ARP. Узел не находит соответствующей записи в таблице ARP, поэтому он посылает в локальную сеть широковещательный ARP-запрос, в котором задает сетевой логический IP-адрес устройства назначения – 200.40.40.7. Адресат назначения находится за пределами локальной сети 172.16.10.0. Поскольку маршрутизаторы не транслируют широковещательные запросы в другие сегменты сети, то в этом случае маршрутизатор в ответ на запрос посылает ARP-ответ с MAC-адресом своего входного интерфейса, на который поступил запрос. Входной интерфейс играет роль основного шлюза по умолчанию. ARP-протокол обращается к соответствующей строке таблицы
IP адрес |
МАС адрес |
172.16.10.1 |
0001AAAA1111 |
и отвечает МАС-адресом 0001AAAA1111.
В соответствие с полученным МАС-адресом 0001AAAA1111 формируется кадр, который по физической среде передается в маршрутизатор Router_A:
Заголовок кадра |
Заголовок пакета |
Поле данных |
||
МАС-адрес узла источника 011ABC123456 |
МАС-адрес узла назначения 0001AAAA1111 |
IP- адрес узла источника 172.16.10.11 |
IP- адрес узла назначения 200.40.40.7 |
Data |
Кадр данных |
||||
В маршрутизаторе Router_A из кадра извлекается (декапсулируется) пакет данных. Производится логическое умножение адреса назначения на маску и определяется сеть назначения. Затем происходит обращение к таблице маршрутизации, в соответствие с которой определяется адрес входного порта следующего маршрутизатора Router_В (адрес следующего перехода) и выходной интерфейс маршрутизатора Router_A. При этом формируется новый пакет, который продвигается к выходному FastEthernet порту F0/2 маршрутизатора Router_A. В новом пакете изменяются некоторые поля заголовка, но IP-адреса источника и узла назначения остаются неизменными:
Заголовок пакета |
Поле данных |
||
Первые поля заголовка пакета |
IP-адрес узла источника 172.16.10.11 |
IP-адрес узла назначения 200.40.40.7 |
Data |
Пакет данных |
|||
Затем пакет инкапсулируется в новый кадр, в качестве МАС-адреса узла источника будет использоваться физический адрес выходного интерфейса F0/2 – 0002AAAA2222. МАС-адрес узла назначения определяется с помощью ARP-протокола аналогично описанному выше. МАС-адресом узла назначения будет физический адрес входного интерфейса маршрутизатора Router_В – 0001BBBB1111.
Новый кадр передается на входной порт маршрутизатора Router_В:
Заголовок кадра |
Заголовок пакета |
Данные |
||
МАС-адрес узла источника 0002AAAA2222 |
МАС-адрес узла назначения 0001BBBB1111 |
IP- адрес узла источника 172.16.10.11 |
IP- адрес узла назначения 200.40.40.7 |
Data |
Кадр данных |
||||
Приняв кадр, маршрутизатор Router_В извлекает из него пакет данных и с использованием маски и таблицы маршрутизации определяет выходной интерфейс. Пакет инкапсулируется в новый кадр, который передается с новыми МАС-адресами источника и назначения в маршрутизатор Router_С:
Заголовок кадра |
Заголовок пакета |
Данные |
||
МАС-адрес узла источника 0002BBBB2222 |
МАС-адрес узла назначения 0001CCCC1111 |
IP- адрес узла источника 172.16.10.11 |
IP-адрес узла назначения 200.40.40.7 |
Data |
Кадр данных |
||||
В маршрутизаторе Router_С, также как в Router_А и Router_В формируются новый пакет и кадр. Поскольку адресат назначения находится в сети непосредственно присоединенной к интерфейсу F0/2 маршрутизатора Router_С, то кадр передается узлу назначения Host Y:
Заголовок кадра |
Заголовок пакета |
Данные |
||
МАС-адрес узла источника 0002CCCC2222 |
МАС-адрес узла назначения 022DEF123456 |
IP- адрес узла источника 172.16.10.11 |
IP-адрес узла назначения 200.40.40.7 |
Data |
Кадр данных |
||||
Протокол сетевого уровня узла Host Y извлекает из кадра пакет данных. Если пакет при передаче был фрагментирован, то из фрагментов формируется целый пакет и через соответствующий интерфейс направляется на транспортный уровень, где из пакетов извлекаются сегменты данных, а из сегментов формируется сообщение.
Всякий раз при формировании кадра вычисляется контрольная сумма, которая записывается в поле FCS трейлера кадра. При приеме кадра на каждом входном интерфейсе всех устройств на пути к адресату назначения вновь вычисляется контрольная сумма, которая сравнивается с принятой в трейлера. Это позволяет выявлять ошибки и исправлять некоторые из них.
При передаче данных через соединения «точка-точка» (см. например, схемы рис. 6.5, 6.11) заголовок кадра может быть существенно упрощен, т.к. интерфейсы непосредственно связаны между собой, поэтому отпадает необходимость задания МАС-адресов узла источника и узла назначения. Примером может служить протокол Point-to-Point Protocol.