Функции маршрутизаторов

6.1. Маршрутизаторы в сетевых технологиях

Объединение нескольких локальных сетей в глобальную ( распределенную, составную ) WAN-сеть происходит с помощью устройств и протоколов сетевого Уровня 3 семиуровневой эталонной модели или уровня межсетевого взаимодействия четырехуровневой модели TCP/IP. Если LAN объединяют рабочие станции, периферию, терминалы и другое сетевое оборудование в одной аудитории или в одном здании, то WAN обеспечивают соединение LAN на широком географическом пространстве. В составную распределенную сеть (internetwork, internet) входят как локальные сети и подсети (subnet), так и отдельные пользователи. Устройствами, объединяющими LAN в составную сеть, являются:

• маршрутизаторы (routers);
• модемы;
• коммуникационные серверы.

Наиболее распространенными устройствами межсетевого взаимодействия сетей, подсетей и устройств являются маршрутизаторы. Они представляют собой специализированные компьютеры для выполнения специфических функций сетевых устройств. В лекции 4 было показано, что маршрутизаторы используются, чтобы сегментировать локальную сеть на широковещательные домены, т. е. являются устройствами LAN, но они применяются и как устройства формирования глобальных сетей. Поэтому маршрутизаторы имеют как LAN-, так и WAN-интерфейсы. Маршрутизаторы используют WAN-интерфейсы, чтобы связываться друг с другом, и LAN-интерфейсы – для связи с узлами (компьютерами), например через коммутаторы. Поэтому маршрутизаторы являются устройствами как локальных, так и глобальных сетей. Маршрутизаторы являются также основными устройствами больших корпоративных сетей.

На рис. 6.1 приведен пример того, как маршрутизаторы А, В и С объединяют несколько локальных сетей (локальные сети № 1, № 2, № 3) в распределенную (составную) сеть. Поэтому маршрутизаторы имеют интерфейсы как локальных, так и глобальных соединений. К локальным сетям, созданным на коммутаторах, маршрутизатор присоединен через интерфейсы, которые на рис. 6.1 обозначены через F0/1, что означает: интерфейс Fast Ethernet, слот 0, номер 1. Глобальные соединения на рис. 6.1 представлены последовательными или серийными (serial) интерфейсами S0/1, S0/2. Через такой же последовательный интерфейс реализовано соединение составной сети с сетью Интернет (Internet). Подобная структурная схема, включающая несколько последовательно соединенных маршрутизаторов, характерна для многих корпоративных сетей.

Рис. 6.1. Составная сеть на маршрутизаторах

В большинстве случаев соединение маршрутизатора локальной сети с сетью Интернет производится через сеть провайдера. Терминальное (оконечное) оборудование (Data Terminal Equipment – DTE ), к которому относится и маршрутизатор, подсоединяется к глобальной сети (или к сети провайдера) через канальное коммуникационное оборудование (Data Communications Equipment, или Data Circuit-Terminating Equipment, – DCE ). Маршрутизатор обычно является оборудованием пользователя, а оборудование DCE предоставляет провайдер. Услуги, предоставляемые провайдером для терминальных устройств DTE, доступны через модем или цифровое устройство согласования с каналом связи (Channel Service Unit / Data Service Unit – CSU/DSU), которые и являются оборудованием DCE ( рис. 6.2). Оборудование DCE является ведущим в паре DCE-DTE, оно обеспечивает синхронизацию и задает скорость передачи данных.

Рис. 6.2. Устройства распределенных сетей

Поскольку маршрутизаторы в распределенных сетях ( рис. 6.1) часто соединяются последовательно, из двух последовательно соединенных серийных интерфейсов маршрутизаторов один должен выполнять роль устройства DCE, а второй – устройства DTE ( рис. 6.3).

Рис. 6.3. Последовательное соединение маршрутизаторов

Главными функциями маршрутизаторов являются:

• выбор наилучшего пути для пакетов к адресату назначения;
• 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.

Протоколы канального (data link) уровня WAN описывают, как по сети передаются кадры. Они включают протоколы, обеспечивающие функционирование через выделенные соединения "точка-точка" и через коммутируемые соединения. Основными WAN протоколами и стандартами канального уровня являются: High-level Data Link Control (HDLC), Point-to-Point Protocol (PPP), Synchronous Data Link Control (SDLC), Serial Line Internet Protocol (SLIP), X.25, Frame Relay, ATM. Основными протоколами и стандартами физического уровня являются: EIA/TIA-232, EIA/TIA-449, V.24, V.35, X.21, G.703, EIA-530, ISDN, E1, E3, XDSL, SDH (STM-1, STM-4 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 информацией о сетевой топологии друг с другом.

Функционирование маршрутизаторов происходит под управлением сетевой операционной системы ( Internetwork Operation System – IOS ), текущая ( running ) версия которой находится в оперативной памяти RAM ( рис. 6.4). Помимо текущей версии IOS оперативная память хранит активный конфигурационный файл (Active Configuration File) и таблицы протоколов динамической маршрутизации, выполняет буферизацию пакетов и поддерживает их очередь, обеспечивает временную память для конфигурационного файла маршрутизатора, пока включено питание.

Загрузка операционной системы IOS в оперативную память обычно производится из энергонезависимой флэш-памяти ( Flash ), которая является перепрограммируемым запоминающим устройством ( ППЗУ ). После модернизации IOS она перезаписывается во флэш-память, где может храниться несколько версий. Версию операционной системы можно также сохранять на TFTP-сервере ( рис. 6.4).

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ – ROM) содержит программу начальной загрузки (bootstrap) и сокращенную версию операционной системы, установленную при изготовлении маршрутизатора. Обычно эта версия IOS используется только при выходе из строя флэш-памяти. Память ROM также поддерживает команды для теста диагностики аппаратных средств (Power-On Self Test – POST).

Рис. 6.4. Элементы памяти и программы маршрутизатора

Энергонезависимая (non-volatile) оперативная память NVRAM маршрутизатора является перепрограммируемым запоминающим устройством (ППЗУ). NVRAM хранит стартовый ( startup ) конфигурационный файл, который после изменения конфигурации перезаписывается в ППЗУ, где создается резервная копия ( backup ). Конфигурационные файлы содержат команды и параметры для управления потоком трафика, проходящим через маршрутизатор. Конфигурационный файл используется для выбора сетевых протоколов и протоколов маршрутизации, которые определяют наилучший путь для пакетов к адресуемой сети. Первоначально конфигурационный файл обычно создается с консольной линии (console) и помимо памяти NVRAM может сохраняться на TFTP-сервере ( рис. 6.4). Временное хранение входящих и исходящих пакетов обеспечивается в памяти интерфейсов, которые могут быть выполнены на материнской плате или в виде отдельных модулей.

При включении маршрутизатора начинает функционировать программа начальной загрузки bootstrap, которая тестирует оборудование и загружает операционную систему IOS в оперативную память RAM. В оперативную память загружается также конфигурационный файл, хранящийся в NVRAM. В процессе конфигурирования маршрутизатора задаются адреса интерфейсов, пароли, создаются таблицы маршрутизации, устанавливаются протоколы, проводится проверка параметров. Процесс коммутации и продвижения данных проходит под управлением операционной системы.

6.2. Принципы маршрутизации

Информационный поток данных, созданный на прикладном уровне, на транспортном уровне "нарезается" на сегменты, которые на сетевом уровне снабжаются заголовками и образуют пакеты (см. рис. 1.7, рис. 1.8). Заголовок пакета содержит сетевые IP-адреса узла назначения и узла источника. На основе этой информации средства сетевого уровня – маршрутизаторы осуществляют передачу пакетов между конечными 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 для пакета каждый маршрутизатор анализирует сетевую часть адреса узла назначения, заданного в заголовке поступившего пакета, т.е. вычленяет адрес сети назначения. Затем маршрутизатор обращается к таблице маршрутизации, в которой хранятся адреса всех доступных сетей, и определяет свой выходной интерфейс, на который необходимо передать (продвинуть) пакет. Таким образом, маршрутизатор ретранслирует пакет, продвигая его с входного интерфейса на выходной, для чего использует сетевую часть адреса назначения, обращаясь к таблице маршрутизации.

Выходной интерфейс связан с наиболее рациональным маршрутом к адресату. Конечный маршрутизатор на пути пакета непосредственно (прямо) связан с сетью назначения. Он использует часть сетевого адреса, содержащую адрес узла назначения, чтобы доставить пакет получателю данных.

Процесс ретрансляции пакетов маршрутизаторами рассмотрен на примере сети, приведенной на рис. 6.5. Маршрутизаторы в целом сетевого адреса не имеют, но поскольку они связывают между собой несколько сетей, каждый интерфейс (порт) маршрутизатора имеет уникальный адрес, сетевая часть которого совпадает с номером сети, соединенной с данным интерфейсом. Последовательные ( serial ) порты, соединяющие между собой маршрутизаторы, на рисунке обозначены молниевидной линией.

Рис. 6.5. Определения пути пакета

Путь от маршрутизатора A к маршрутизатору В может быть выбран:

1. через маршрутизатор С;
2. через маршрутизаторы D и E;
3. через маршрутизаторы F, G и H.

Оценка наилучшего пути производится на основе метрики. Например, если метрика учитывает только количество маршрутизаторов на пути к адресату, то будет выбран первый маршрут. Если же метрика учитывает полосу пропускания линий связи, соединяющих маршрутизаторы, то может быть выбран второй или третий маршрут при условии, что на этом пути наиболее широкополосные линии связи.

При выборе первого пути функция коммутации реализуется за счет продвижения поступившего на интерфейс 1а маршрутизатора A пакета на интерфейс 2а. Таким образом, пакет попадает на интерфейс 1с маршрутизатора С, который продвинет полученный пакет на свой выходной интерфейс 3с, т. е. передаст полученный пакет маршрутизатору В.

В процессе передачи пакета по сети используются как сетевые логические адреса (IP-адреса), так и физические адреса устройств (MAC-адреса в сетях Ethernet). Например, при передаче информации с компьютера Host X локальной сети Сеть 1, ( рис. 6.6) на компьютер Host Y, находящийся в удаленной Сети 2, определен маршрут через маршрутизаторы A, B, C.

Рис. 6.6. Использование маршрутизаторов для передачи данных по сети

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 канальные адреса назначения и источника, т. е. адрес 2-го уровня (табл. 6.1).

У передающего узла нет информации об адресе канального уровня (MAC-адресе) узла назначения Host Y, поэтому Host Х в заголовке кадра в качестве адреса назначения задаст MAC-адрес входного интерфейса 1а маршрутизатора A. Именно через этот интерфейс, называемый шлюзом по умолчанию (Default gateway), все пакеты из локальной Сети 1 будут передаваться в удаленные сети. 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.