IP-маршрутизаторы

Распределенную сеть можно рассматривать как набор сетевых устройств и сетей, связанных между собой маршрутизаторами. Стек протоколов TCP/IP разрабо­тан для взаимодействия удаленных систем в сложных, распределенных сетях. Отдельные сети с коммутацией пакетов связываются маршрутизаторами.

Два устройства, подключенные к одной сети, могут посылать пакеты друг другу. Кроме того, сеть получает пакеты из удаленной сети и доставляет их определенному получателю в локальной сети или передает дальше, другим сетям. Если два устройства, расположенные в разных сетях, хотят переслать друг другу информацию, отправитель посылает пакеты определенному маршру­тизатору. Тот передает пакет через систему маршрутизаторов и сетей до тех пор, пока пакет не достигнет маршрутизатора, который подключен напрямую к сети получателя. Этот конечный маршрутизатор затем передаст пакет получателю по известному физическому адресу. Маршрутизаторы передают пакеты, основыва­ясь на номере (адресе) сети получателя, а не на его физическом адресе. Поэтому информация, необходимая маршрутизатору, зависит от числа сетей, составляю­щих общую распределенную сеть, но не от числа устройств.

Выделяют два типа маршрутизации: прямую и косвенную. При прямой мар­шрутизации отправитель в определенной IP-сети может напрямую передавать кадры любому получателю в той же сети. При этом не требуется функциональ­ность IP-маршрутизации.

Для передачи дейтаграммы с использованием прямой маршрутизации, отпра­витель инкапсулирует эту дейтаграмму в кадр канального уровня, определяет с помощью протокола ARP физический адрес получателя по известному IP-адре­су и, используя сетевое аппаратное обеспечение, доставляет дейтаграмму.

Косвенная маршрутизация происходит в том случае, если отправитель и по­лучатель находятся в разных IP-сетях. Косвенная маршрутизация требует, чтобы отправитель передавал дейтаграммы маршрутизатору для доставки их через рас­пределенную сеть. Косвенная маршрутизация — это процесс более сложный, чем прямая маршрутизация, ввиду следующих двух причин:

q Отправитель должен определить маршрутизатор, которому необходимо адресовать дейтаграммы для доставки;

q Маршрутизатор должен уметь доставлять дейтаграммы к целевой сети, в которой располагается получатель.

Поясним на простом примере отличия прямой и косвенной маршрутизации. Предположим, что какой-либо маршрутизатор связывает две сети и, следова­тельно, он имеет два IP-адреса и два физических адреса для каждого из своих портов, присоединенных к этим сетям. Когда отправитель в любой из сетей направляет свой пакет маршрутизатору, то это будет прямой маршрутизаци­ей. Если маршрутизатор отправляет пакет получателю в любой из сетей — это также прямая маршрутизация. Однако, если рассматривать взаимную работу от­правителя и получателя через маршрутизатор, то их взаимодействие осуществ­ляется с помощью косвенной маршрутизации. Маршрутизация выполняется маршрутизатором на уровне протокола IP. Этот процесс полностью прозрачен для протоколов TCP, UDP и сетевых приложений.

Перед отправкой пакета отправитель проверяет сетевой префикс IP-адреса получателя, сравнивая его с префиксом своей сети. Совпадение означает, что дейтаграмма может быть послана напрямую. Если номера сетей не совпадают, отправитель должен послать дейтаграмму маршрутизатору.

Обычно параметр «маршрутизатор по умолчанию» (default router) настраива­ется на каждой рабочей станции сетевым администратором. Маршрутизатор по умолчанию отвечает за доставку дейтаграмм всем устройствам, которые не под­ключены к сети отправителя.

Маршрутизатор принимает решение о передаче каждой дейтаграммы на основании своей таблицы маршрутизации. В качестве индекса таблицы исполь­зуется номер сети, полученный из поля «Адрес получателя» в заголовке IP-дей­таграммы. Если получатель располагается в сети, подключенной к одному из портов маршрутизатора, последний может доставить дейтаграмму напрямую, не посылая ее другим маршрутизаторам. В противном случае маршрутизатор до­лжен отослать дейтаграмму другому маршрутизатору, который находится ближе к получателю.

Существует два подхода к выбору маршрута:

q одношаговый подход;

q маршрутизация от источника.

Согласно методу одношаговой маршрутизации каждый маршрутизатор и конечный узел принимает участие в выборе только одного шага передачи дейта­граммы. В каждой строке таблицы маршрутизации указывается не весь маршрут (в виде последовательности IP-адресов маршрутизаторов, через которые должна пройти дейтаграмма), а только один IP-адрес следующего маршрутизатора (мар­шрутизатора на том пути, по которому нужно передать дейтаграмму). Вместе с дейтаграммой этому маршрутизатору передается и ответственность за выбор следующего шага. Такой подход распределяет задачу выбора маршрута и снима­ет ограничение на максимальное количество маршрутизаторов в пути. Кроме того, за счет использования маршрутизатора по умолчанию (который обычно занимает в таблице маршрутизации последнюю строку) существенно сокраща­ется объем таблицы. Все дейтаграммы, номера сетей которых отсутствуют в таблице маршрутизации, передаются маршрутизатору по умолчанию. Подра­зумевается, что маршрутизатор по умолчанию передает дейтаграмму в магист­ральную сеть, а маршрутизаторы, подключенные к магистральной сети, имеют полную информации о ее топологии.

Существуют различные алгоритмы построения таблиц для одношаговой мар­шрутизации. Их делят на три класса:

q Алгоритмы фиксированной маршрутизации. Они применяются в сетях с простой топологией и основаны на составлении таблиц маршрутизации «вручную» администратором сети.

q Алгоритмы простой маршрутизации. Они разделяются на три подкласса:

· случайная маршрутизация (дейтаграммы передаются в любом случай­ном направлении, кроме исходного);

· лавинная маршрутизация (дейтаграммы передаются во всех направле­ниях, кроме исходного);

· адаптивная маршрутизация (таблица маршрутизации составляется на основании данных, содержащихся в проходящих через маршрутизатор дейтаграммах).

q Алгоритмы адаптивной маршрутизации. Основные алгоритмы, применя­емые в современных сетях. Маршрутизаторы периодически обмениваются между собой информацией о сетевой топологии.

При маршрутизации от источника выбор маршрута производится конечным узлом или первым маршрутизатором на пути следования дейтаграммы. Все остальные маршрутизаторы только отрабатывают выбранный маршрут. Этот ме­тод в сетях IP применяется только в целях отладки.

Управление таблицей маршрутизации на маршрутизаторах в большой рас­пределенной сети является сложной задачей. Таблицы маршрутизации для отображения текущей сетевой топологии должны быть динамическими. Марш­рутизатор обменивается с другими маршрутизаторами информацией о маршрутах. К протоколам маршрутизации, обменивающимися информацией о маршрутах в сетях IP, относятся: Routing Information Protocol (RIP), Open Shortest Path First Protocol (OSPF), Integrated Intermediate System to Intermediate System (IS-IS), Exterior Gateway Protocol (EGP) и Border Gateway Protocol (BGP).

В зависимости от структуры распределенной сети некоторые маршрутиза­торы могут одновременно поддерживать несколько протоколов маршрутизации. В табл. 8.1 приведен пример простой таблицы маршрутизации. В этой таблице содержатся записи, типичные для таких протоколов маршрутизации, как RIP IP, которые используют в качестве метрики маршрута количество переходов (hop count). В некоторых технических источниках встречается обозначение транзит­ный узел.

Таблица 8.1. Запись в таблице маршрутизации

Номер сети получателя 128.3.0.0
Следующий маршрутизатор в пути	Количество переходов	Протокол маршрутизации	Таймер
128.5.3.2		RIP
128.5.4.7		RIP
128.5.3.9	б	RIP

Каждая запись в таблице маршрутизации включает следующую информацию:

q Следующий маршрутизатор в пути — IP-адрес удаленного маршрутизато­ра, которому необходимо послать дейтаграммы для доставки их по назна­чению;

q Количество переходов — число переходов между текущим маршрутиза­тором и получателем пакета. Количество переходов — это число маршру­тизаторов, которые должен пересечь пакет до прихода к получателю;

q Протокол маршрутизации — протокол маршрутизации, который отвечает за запись;

q Таймер — время, прошедшее с момента последнего обновления записи. Таймер сбрасывается при каждом обновлении.

Как правило, в таблицах маршрутизации содержится только один маршрут для каждой сети. Но некоторые реализации протоколов маршрутизации, напри­мер OSPF, поддерживают несколько маршрутов.

На рис. 8.1 показана небольшая распределенная сеть, состоящая из четырех локальных сетей, связанных тремя маршрутизаторами. В табл. 8.2 показано содержимое таблиц маршрутизации связующих маршрутизаторов. Таблицы марш­рутизации содержат одну запись для каждого маршрута.

Таблииа 8.2. Таблицы маршрутизации

Маршрутизатор Ml
Номер сети	Следующий маршрутизатор в пути	Количество переходов
128.1.0.0	Подключена напрямую. Порт 1
128.2.0.0	Подключена напрямую. Порт 2
128.3.0.0	128.2.0.3
128.4.0.0	128.2.0.3
Маршрутизатор М2
Номер сети	Следующий маршрутизатор в пути	Количество переходов
128.1.0.0	128.2.0.2
128.2.0.0	Подключена напрямую. Порт 1
128.3.0.0	Подключена напрямую. Порт 2
128.4.0.0	128.3.0.3
Маршрутизатор МЗ
Номер сети	Следующий маршрутизатор в пути	Количество переходов
128.1.0.0	128.3.0.2
128.2.0.0	128.3.0.3
128.3.0.0	Подключена напрямую. Порт1
128.4.0.0	Подключена напрямую. Порт 2

Основываясь на рис. 8.1, рассмотрим процесс передачи информации от стан­ции А к станции Б через три промежуточных маршрутизатора и четыре сети. Распределенную сеть можно рассматривать как одну большую виртуальную сеть. Путь, по которому будет передаваться дейтаграмма, не определяется ее отправителем. Каждый маршрутизатор отвечает за доставку дейтаграммы только на один шаг, то есть полагается на следующий маршрутизатор. Эти промежу­точные маршрутизаторы пересылают ее в следующую сеть. Только когда дейтаграмма достигнет получателя, локальный драйвер IP извлечет передаваемое со­общение из дейтаграммы и передаст его протоколам верхнего уровня.

Предположим, что станции А в сети с адресом 128.1.0.0 необходимо передать информацию станции Б в сети с адресом 128.4.0.0. При передаче дейтаграмм от маршрутизатора к маршрутизатору нужно обратить внимание, что IP-заголовок дейтаграммы, сформированный станцией А, остается неизменным, а изменяются только физические адреса кадра канального уровня.

Так как станции А и Б располагаются в различных сетях, то станции А при­ходится выполнять косвенную маршрутизацию. Для этого она должна послать информацию на ближайший известный ей маршрутизатор или на маршрутиза­тор по умолчанию. После инициализации станция А знает только адрес марш­рутизатора по умолчанию — 128.1.0.2. Поэтому станция А будет использовать маршрутизатор Ml для передачи информации любому устройству, расположен­ному в удаленной сети. Если в ARP-таблице станции А нет записи о маршру­тизаторе по умолчанию, то она сформирует ARP-запрос и будет ждать, когда маршрутизатор Ml ответит на него. После того как она выяснит физический адрес маршрутизатора (%080002001231, порт 1 маршрутизатора Ml), станция А передаст ему кадр канального уровня.

После получения кадра маршрутизатор Ml удалит его заголовок канального уровня и прочтет номер сети в IP-дейтаграмме — 128.4.0.0. Затем он отыщет соответствующую запись в своей таблице маршрутизации. Маршрутизатор Ml знает, что нужная сеть находится на расстоянии двух переходов от него, и что он должен передать эту дейтаграмму на порт 1 маршрутизатора М2 с IP-адресом 128.2.0.3. Если маршрутизатор Ml не имеет в своей ARP-таблице физического адреса порта 1 маршрутизатора М2, он сформирует ARP-запрос и будет ждать, когда маршрутизатор М2 ответит на него. После этого маршрутизатор Ml пере­даст кадр с физическим адресом %080002001233 (порт 1 маршрутизатора М2).

После получения кадра маршрутизатор М2 удалит его заголовок канально­го уровня и прочтет номер сети в IP-дейтаграмме — 128.4.0.0. Затем он отыщет соответствующую запись в своей таблице маршрутизации. Маршрутизатор М2 знает, что нужная сеть находится на расстоянии одного перехода от него, и он должен передать эту дейтаграмму на порт 1 маршрутизатора МЗ с IP-адресом 128.3.0.3. Если маршрутизатор М2 не имеет в своей ARP-таблице физиче­ского адреса порта 1 маршрутизатора МЗ, он сформирует ARP-запрос и будет ждать, когда маршрутизатор МЗ ответит на него. После этого маршрутизатор М2 передаст кадр с физическим адресом %080002001235 (порт 1 маршрутизато­ра МЗ).

После получения кадра маршрутизатор МЗ удалит заголовок канального уровня и прочтет номер сети в IP-дейтаграмме — 128.4.0.0. Затем он отыщет соответствующую запись в своей таблице маршрутизации. Таким образом он узнает, что нужная сеть подключена напрямую к его порту 2, — так что он не должен передавать эту дейтаграмму другому маршрутизатору. Он может доста­вить ее получателю напрямую. Если маршрутизатор МЗ не имеет в своей ARP-таблице физического адреса станции Б, он сформирует ARP-запрос и будет ждать, когда станция ответит на него. После этого маршрутизатор МЗ передаст кадр по физическому адресу %080002002222 станции Б.

Как видно, маршрутизаторы должны проверять свои таблицы маршрутиза­ции для определения того, куда доставить каждую дейтаграмму. Если маршрут не найден, то маршрутизатор должен удалить дейтаграмму. Однако существу­ет специальный IP-адрес 0.0.0.0, который собственно и является маршрутом по умолчанию. Если путь в требуемую сеть не найден, а в таблице маршрутизации есть запись для маршрута по умолчанию, маршрутизатор не будет удалять дей­таграмму, а передаст ее по этому маршруту. Введение маршрута по умолчанию позволяет уменьшить размер таблиц маршрутизации. В результате процесс мар­шрутизации упрощается, так как таблица маршрутизации содержит несколько записей для локальных сетей и маршрут по умолчанию для всех остальных. Маршрут по умолчанию незаменим в таких больших сетях, как Internet. Кроме уменьшения размера таблиц маршрутизации, использование маршрута по умол­чанию позволяет значительно уменьшить размеры сообщений, которыми обме­ниваются маршрутизаторы. Недостатком маршрута по умолчанию является возможность образования петель маршрутизации.

На рис. 8.2 показан алгоритм обработки IP-дейтаграмм маршрутизатором.

Следует отметить, что таблица маршрутизации существует не только у мар­шрутизаторов с несколькими портами, но и у рабочих станций, подключаемых к сети через один сетевой адаптер. На рис. 8.3 показан пример таблицы маршру­тизации на компьютере, работающем под управлением операционной системы Microsoft Windows NT. Отличие состоит в том, что все дейтаграммы должны передаваться через один единственный сетевой адаптер, вне зависимости от их адресата. Таблицу маршрутизации можно посмотреть по команде route print.

Дата добавления: 2015-07-13