Использование маршрутизаторов

В отличие от мостов, маршрутизаторы работают с пакетами сетевого уровня, использующими логические адреса получателя пакета данных (адреса сетевого уровня).

Протоколы сетевого уровня, используемые в разных доменах, могут быть одинаковыми, но могут и отличаться друг от друга. В последнем случае необходимо использовать многопротокольные маршрутизаторы, поддерживающие одновременную работу нескольких протоколов.

В отличие от мостов, маршрутизаторы включают в свой состав программную компоненту, обеспечивающую реализацию соответствующего протокола и работающую с более полной информацией, сохраняемой в базе данных (БД) маршрутизатора. БД маршрутизатора, назы­ваемая таблицей маршрутизации, отличается от БД моста. Принципиальное различие состоит в том, что таблица маршрутизации включает информацию о путях (маршрутах), пройденных каждым пакетом по сети от отправителя до получателя. Кроме того, для каждого протокола ведется своя таблица маршрутизации.

Маршрутизаторы

Таким образом, к основным функциональным возможностям маршрутизаторов относятся:

создание и ведение таблицы маршрутизации;

выбор следующего пути для пакета, основываясь на информации, содержащейся как в пакете, так и в таблице маршрутизации.

Основные функции маршрутизатора

Основная функция маршрутизатора – чтение заголовков пакетов сетевых про­токолов, принимаемых и буферизуемых по каждому порту (например, IPX, IP, AppleTalk или DECnet), и принятие решения о дальнейшем маршруте следова­ния пакета по его сетевому адресу, включающему, как правило, номер сети и но­мер узла.

Функции маршрутизатора могут быть разбиты на три группы, в соответствии с уровнями модели OSI (рис. 14.6).

Уровень интерфейсов

На нижнем уровне маршрутизатор, как и любое устройство, подключенное к сети, обеспечивает физический интерфейс со средой передачи, включая согласо­вание уровней электрических сигна­лов, линейное и логическое кодирование, оснащение определенным типом разъема. В разных мо­делях маршрутизаторов часто предусматриваются различные наборы физических интерфейсов, представ­ляющих собой комбинацию портов для подсоединения локальных и глобальных сетей. С каждым интерфейсом для подключения локальной сети неразрывно свя­зан определенный протокол канального уровня, например, Ethernet, Token Ring, FDDI. Интерфейсы для присоединения к гло­бальным сетям чаще всего опреде­ляют только некоторый стандарт физического уровня, над кото­рым в маршрути­заторе могут работать различные протоколы канального уровня. Например, гло­бальный порт может поддерживать интерфейс V.35, над которым могут работать протоколы ка­нального уровня: LAP-В (в сетях X.25), LAP-F (в сетях frame relay), LAP-D (в сетях ISDN). Разница между интерфейсами локальных и гло­бальных сетей объясняется тем, что техно­логии локальных сетей работают по собственным стандартам физического уровня, которые не могут, как правило, использоваться в других технологиях, поэтому интерфейс для локальной сети представляет собой сочетание физического и канального уровней и носит название по имени соответствующей технологии, например, интерфейс Ethernet.

Интерфейсы маршрутизатора выполняют полный набор функций физического и канального уров­ней при передаче кадра, включая получение доступа к среде (если это необходимо), формирование битовых сигналов, прием кадра, подсчет его контрольной суммы и передачу поля данных кадра верхнему уровню, в случае если контрольная сумма имеет корректное значение.

Примечание

Как и любой конечный узел, каждый порт маршрутизатора имеет собственный ап­парат­ный адрес (в локальных сетях – МАС-адрес), по которому другие узлы направ­ляют ему кадры, требующие маршрутизации.

Перечень физических интерфейсов, которые поддерживает та или иная модель маршрути­затора, является его важнейшей потребительской характеристикой. Маршрутизатор дол­жен поддерживать все протоколы канального и физического уровней, используемые в каждой из сетей, к которым он будет непосредственно присоединен. На рис. 14.6 показана функциональная модель маршрутизатора с четырьмя портами, реализующими следующие физические интерфейсы: 10Base-T и 10Base-2 для двух портов Ethernet, UTP для Token Ring и V.35, над которым могут ра­ботать протоколы LAP-B, LAP-D или LAP-F, обеспечивая подключение к сетям Х.25, ISDN или frame relay.

Кадры, которые поступают на порты маршрутизатора, после обработки соответствующими прото­колами физического и канального уровней освобождаются от заголовков канального уровня. Из­влеченные из поля данных кадра пакеты пере­даются модулю сетевого протокола.

Уровень сетевого протокола

Сетевой протокол, в свою очередь, извлекает из пакета заголовок сетевого уров­ня и анализирует содержимое его полей. Прежде всего, проверяется контрольная сумма, и если пакет пришел по­врежденным, то он отбрасывается. Выполняется проверка, не превысило ли время, которое про­вел пакет в сети (время жизни па­кета), допустимой величины. Если превысило – пакет также от­брасывается. На этом этапе вносятся корректировки в содержимое некоторых полей, например, наращивается время жизни пакета, пересчитывается контрольная сумма.

На сетевом уровне выполняется одна из важнейших функций маршрутизато­ра – фильтрация трафика. В отношении пакетов, пересылаемых другим портам, маршрутизато­ры более избирательны, чем концентраторы, мосты и коммутаторы. Работая на границах ЛВС, они не передают широ­ковещательные со­общения, за исключением некоторых специальных случаев. Маршру­тизатор осуществляет передачу пакетов, руководствуясь не аппарат­ным адресом в заголовке канального уровня, а адресом оконечной целевой системы в заголовке протокола сетевого уровня. Инфор­ма­ция о смежных с маршрутизатором сетях содержится в его внутрен­ней таблице маршрутиза­ции (routing table). По этой таблице маршру­тизатор определяет, куда направить очередной па­кет. Если пакет предназначен для системы в одной из сетей, к которым подключен маршрути­затор, он передает пакет непосредственно этой системе. Если пакет предназначен системе в уда­ленной сети, маршрутизатор через одну из смежных сетей передает пакет другому маршрутиза­тору.

Маршрутизатор, обладая более высоким интеллек­том, нежели мост или коммутатор, позволяет задавать и может отрабатывать значительно более сложные правила фильтрации. Пакет сетевого уровня, нахо­дящийся в поле данных кадра, для мостов и коммутато­ров представляется неструктурированной двоичной последовательностью. Маршрутизаторы же, про­граммное обеспечение которых содержит модуль сетевого протокола, способны производить разбор и анализ отдельных полей пакета. Они оснащаются разви­тыми средствами пользователь­ского интерфейса, которые позволяют админист­ратору без особых усилий задавать сложные пра­вила фильтрации. Они, напри­мер, могут запретить прохождение в корпоративную сеть всех паке­тов, кроме пакетов, поступающих из подсетей «родного» предприятия. Фильтрация в дан­ном случае производится по сетевым адресам, и все пакеты, адреса которых не входят в разрешенный диапазон, отбрасываются. Маршрутизаторы, как правило, также могут анализировать структуру сообщений транспортного уровня, поэто­му фильтры могут не пропускать в сеть сообщения оп­ределенных прикладных служб, например, службы telnet, анализируя поле типа протокола в транс­порт­ном сообщении.

В случае, если интенсивность поступления пакетов выше интенсивности их обра­ботки, пакеты мо­гут образовать очередь. Программное обеспечение маршрутиза­тора может реализовывать различ­ные дисциплины обслуживания очередей па­кетов: в порядке поступления по принципу «первый пришел – первым обслужен» (First Input First Output, FIFO), дисциплину случайного раннего об­наружения (Random Early Detection, RED), когда обслуживание идет по прави­лу FIFO, но при достижении длиной очереди некоторого порогового значения вновь поступающие пакеты отбрасываются, а также различные варианты при­оритетного обслуживания.

К сетевому уровню относится основная функция маршрутизатора – определе­ние маршрута пакета. Кадр MAC, содержа­щий пакет данных от станции A и предназначенный для станции B, логический адрес которой известен станции A, посылается маршрутизатору (станция A должна знать адрес MAC этого маршрутизатора). Маршрутизатор анализирует заголовок пакета и по номеру сети, извлеченному из заголовка пакета, мо­дуль сетевого протокола находит в таблице маршрутизации строку, содержащую сетевой адрес следующего маршрутизатора, и номер порта, на который нужно передать данный пакет, чтобы он двигался в правильном направлении. Если в таблице отсутствуют записи о сети назначения пакета и о маршрутизаторе по умолчанию, то данный пакет отбрасывается.

Перед тем как передать сетевой адрес следующего маршрутизатора на каналь­ный уровень, необ­ходимо преобразовать его в локальный адрес той технологии, которая используется в сети, содер­жащей следующий маршрутизатор, причем пакет помещается в новый кадр MAC с адресом либо станции B, либо другого маршрутизатора.

Для этого сетевой протокол обращается к протоколу разре­шения адресов (ARP). Протоколы этого типа устанавливают соответствие между сетевыми и локальными адресами либо на основании заранее составленных таблиц, либо путем рассылки широковеща­тельных запросов. Таблица соответствия локальных адресов сетевым адресам строится отдельно для каждого сетевого интерфейса. Протоколы разрешения адресов занимают промежуточное положе­ние между сетевым и канальным уровнями.

С сетевого уровня пакет, локальный адрес следующего маршрутизатора и номер порта маршрути­затора передаются вниз, канальному уровню. На основании ука­занного номера порта осуществля­ется коммутация с одним из интерфейсов мар­шрутизатора, средствами которого выполняется упа­ковка пакета в кадр соответ­ствующего формата. В поле адреса назначения заголовка кадра поме­щается локальный адрес следующего маршрутизатора. Готовый кадр отправляется в сеть.

Рассмотрим в качестве примера корпоративную интерсеть, состо­ящую из магистрали и несколь­ких сегментов, подключенных к ней с помощью маршрутизаторов (рис. 3.6). Компьютеры каж­дого сегмен­та используют в качестве шлюза по умолчанию маршрутизатор, свя­зывающий этот сегмент с магистралью. Все пакеты, генерируемые в локальной сети, передаются либо одной из систем этой же сети, либо шлюзу по умолчанию. Маршрутизатор-шлюз удаляет из каждого па­кета кадр канального уровня и считывает из заголовка сетевого уров­ня адрес оконечной целевой системы.

По своей таблице маршрутизации шлюз определяет, через какой мар­шрутизатор он может полу­чить доступ к сети, в которой находится око­нечная система. Адрес этого маршрутизатора ука­зывается в качестве целевого адреса канального уровня в новом кадре, который шлюз созда­ет для пакета с помощью протокола канального уровня магистрали (он может отличаться от протокола, используемого в сегменте). Затем пакет достигает следующего маршрутизатора, и про­цесс повторяется. Когда очередной маршрутизатор находит по своей таблице, что целевая сис­тема находится в сегменте, с которым он соединен, маршрутизатор созда­ет кадр для передачи па­кета непосредственно этой системе.

Если пакету на пути к конечному пункту приходится проходить через множество сетей (рис. 3.7), каждый обрабатывающий его мар­шрутизатор называют транзитом (hop). Маршру­тизаторы часто оце­нивают эффективность маршрута по числу транзитов от исходной до целе­вой системы. Одна из основных функций маршрутизатора – выбор наилучшего маршрута по данным из таблицы маршрутизации.

Некоторые маршрутизаторы поддерживают только функции продвижения пакетов по гото­вой таблице маршрутизации. Такие маршрутизаторы считаются усеченными, так как для их полноценной работы требуется наличие полнофункционального мар­шрутизатора, у которого можно взять готовую таблицу маршрутизации. Этот маршрутизатор часто называется сервером маршрутов. Примеры такого подхода дают маршрутизаторы NetBuilder компании 3Com, поддерживающие Отказ от самостоятельного выполнения функций построения таблицы маршрутизации резко удешевляет маршрутизатор и повышает его производительность.

Помимо объединения в интерсеть нескольких ЛВС в пределах од­ного здания, маршрутизаторы способны также соединять удаленные сети. Организации, состоящие из нескольких филиалов, часто соеди­няют локальные сети в этих филиалах, устанавливая в каждой сети маршрутизатор и соединяя эти маршрутизаторы с помощью выделен­ных телефонных линий или других технологий ГВС, например, транс­ляции кадров (Frame Relay). Поскольку во всех филиалах широковещательный домен ограничен локальной сетью, по линиям ГВС пере­даются лишь пакеты, предназначенные для систем в других сетях. Объем трафика по каналам ГВС сведен к минимуму, а значит, мини­мальна и их стоимость.

Уровень протоколов маршрутизации

Сетевые протоколы активно используют в своей работе таблицу маршрутизации, но ни ее построе­нием, ни поддержанием ее содержимого не занимаются. Эти функции выполняют протоколы маршрутизации. На основании этих протоколов маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии сети, а затем анали­зируют полученные сведения, определяя наилучшие по тем или иным критери­ям маршруты. Результаты анализа и составляют содержимое таблиц маршрути­за­ции. Помимо перечисленных выше функций, на маршрутизаторы могут быть возло­жены и другие обя­занности, например, операции, связанные с фрагментацией.

Коммутаторы 3-го уровня с классической маршрутизацией

Термин «коммутатор 3-го уровня» употребляется для обозначения целого спек­тра коммутаторов различного типа, в которые встроены функции маршрути­зации пакетов. Функции коммутации и маршрутизации могут быть совмещены двумя способами:

1. классическим, когда выполняется маршрутизация каждого пакета, требующе­го передачи из сети в сеть, а коммутация выполняется для пакетов, принадле­жащих одной сети;

2. нестандартным способом ускоренной маршрутизации, когда маршрутизиру­ется несколько первых пакетов устойчивого потока, а все остальные пакеты этого потока коммутируются.