Принципы и средства межсетевого взаимодействия

1.3. Передача данных в сетях с маршрутизаторами

Процесс передачи данных от Узла X до Узла Y рассмотрен на примере сети ( рис. 1.3). Предполагается, что маршрут проложен через маршрутизаторы A, B, C. Логические и физические адреса конечных узлов и интерфейсов маршрутизаторов, задействованных в этом процессе передачи, приведены в табл. 1.2. Сетевая маска во всех сетях - 255.255.255.0. Интерфейсы FastEthernet (F0/0, F0/1) характеризуются физическими МАС-адресами и логическими IP-адресами; последовательные (serial) интерфейсы (S1/1, S1/2) МАС-адресов не имеют.

Рис. 1.3. Передача данных по сети

Сообщение, сформированное протоколами верхних уровней компьютера Узел X, поступает на сетевой Уровень 3, где IP-протокол формирует пакет данных. Поскольку адрес назначения 200.40.40.8 не относится к сети 192.168.10.0, в которой находится Узел X, то необходима маршрутизация

На канальном уровне Узел X инкапсулирует сформированный пакет в кадр соответствующей технологии, в данном примере FastEthernet. В заголовке кадра, наряду с другой информацией, указываются МАС-адреса источника и назначения. Поскольку МАС-адреса довольно длинные (12 шестнадцатеричных разрядов), то при дальнейшем рассмотрении введены их условные обозначения. МАС-адрес источника будет 011ABCF00000 (условное обозначение 01-F0).

Поскольку в данном примере МАС-адрес получателя (УзелY) компьютеру УзелX неизвестен, то Узел X обращается к таблице ARP-протокола. 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 - 200.40.40.8. Адресат назначения находится за пределами локальной сети 192.168.10.0.

Поскольку маршрутизаторы не транслируют широковещательные запросы в другие сегменты сети, то в этом случае маршрутизатор R-A в ответ на запрос посылает ARP-ответ с MAC-адресом своего входного интерфейса F0/0, на который поступил запрос. Входной интерфейс играет роль шлюза по умолчанию. ARP-протокол обращается к соответствующей строке таблицы ARP и посылает Узлу X ответ с МАС-адресом 0A-F0. (Далее везде МАС-адреса заменяются их условными обозначениями).

В соответствие с полученным МАС-адресом 0A-F0 Узел X формирует кадр, который по физической среде передается в маршрутизатор R-A:

Поступивший на входной интерфейс маршрутизатора R-A пакет данных извлекается из кадра (декапсулируется), чтобы определить: на какой выходной интерфейс (F0/1 илиS1/2) скоммутировать (продвинуть) принятый пакет. Для этого производится логическое умножение (т.е. операция И, AND) IP-адреса узла назначения на маску и определяется сеть назначения (200.40.40.0). Затем производится обращение к таблице маршрутизации, в соответствие с которой определяется адрес входного интерфейса следующего маршрутизатора R-В (адрес следующего перехода) и выходной интерфейс маршрутизатора R-A.

Согласно приведенной ниже таблицы маршрутизации путь к сети 200.40.40.0 лежит через адрес следующего перехода 198.20.20.6 и выходной (исходящий) интерфейс F0/1 (соответствующая строка R 200.40.40.0/24 [120/2] via 198.20.20.6, 00:00:25, FastEthernet0/1).

R-A>sh ip route
Gateway of last resort is not set

C  192.168.10.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0
C  198.20.20.0/24 is directly connected, FastEthernet0/1
R 200.6.6.0/24 [120/2] via 198.20.20.6, 00:00:25, FastEthernet0/1
R 200.7.7.0/24 [120/2] via 198.20.20.6, 00:00:25, FastEthernet0/1
R 200.9.9.0/24 [120/1] via 198.20.20.6, 00:00:25, FastEthernet0/1
R 200.40.40.0/24 [120/2] via 198.20.20.6, 00:00:25, FastEthernet0/1
R 210.30.30.0/24 [120/1] via 198.20.20.6, 00:00:25, FastEthernet0/1
  

Затем формируется новый заголовок пакета, который продвигается к выходному интерфейсу F0/1 маршрутизатора R-A. В новом пакете изменяются некоторые поля заголовка (TTL, контрольная сумма заголовка), но IP-адреса источника и узла назначения остаются неизменными:

На интерфейсе F0/1 маршрутизатора R-A пакет инкапсулируется в новый кадр, где в качестве МАС-адреса узла источника будет использоваться физический адрес выходного интерфейса F0/1 - 0A-F1 маршрутизатора R-A. МАС-адрес узла назначения определяется с помощью ARP-протокола, как было описано выше. МАС-адресом узла назначения будет физический адрес входного интерфейса F0/0 маршрутизатора R-В, т.е. - 0B-F0.

Сформированный кадр по сетевой среде передается на входной интерфейс маршрутизатора R-В:

Приняв кадр, маршрутизатор R-В извлекает из него пакет данных, с использованием маски вычисляет адрес сети назначения, и по таблице маршрутизации определяет выходной интерфейс:

R-B>sh ip route
... 
R 200.40.40.0/24 [120/1] via 210.30.30.10, 00:00:04, Serial1/1
  

На выходном интерфейсе S1/1 пакет инкапсулируется в новый кадр, который передается в маршрутизатор R-С.

Поскольку Сеть 3 ( рис. 1.3) представляет собой соединение "точка-точка", то интерфейсы такого соединения не имеют МАС-адресов. Заголовок кадра существенно упрощается, т.к. интерфейсы непосредственно связаны между собой. Например, по протоколу PPP (Point-to-Point Protocol) в поле адреса назначения используется широковещательный адрес - 11111111.

В маршрутизаторе R-С, также как в R-А и R-В, формируются новый пакет и кадр. Таблица маршрутизации R-С включает 4 непосредственно присоединенных сети, одна из которых (200.40.40.0) является сетью назначения, путь к этой сети лежит через интерфейс F0/0.

R-C>sh ip route
Gateway of last resort is not set

R    192.168.10.0/24 [120/2] via 210.30.30.9, 00:00:24, Serial1/2
R    198.20.20.0/24 [120/1] via 210.30.30.9, 00:00:24, Serial1/2
C    200.6.6.0/24 is directly connected, Serial1/1
C    200.7.7.0/24 is directly connected, Serial1/3
R    200.9.9.0/24 [120/1] via 200.7.7.1, 00:00:10, Serial1/3
                  [120/1] via 210.30.30.9, 00:00:24, Serial1/2
C    200.40.40.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0
C    210.30.30.0/24 is directly connected, Serial1/2
  

Поскольку адресат назначения находится в сети, которая непосредственно присоединена к интерфейсу F0/0 маршрутизатора R-С, то кадр передается узлу назначения Узел Y:

На Узле Y пакет данных извлекается из кадра. Если пакет при передаче был фрагментирован, то из фрагментов формируется целый пакет и через соответствующий межуровневый интерфейс направляется на транспортный уровень, где из пакетов извлекаются сегменты данных, а из сегментов формируется сообщение.

На пути кадра к устройству назначения его заголовок и трейлер, в котором размещается контрольная сумма кадра, изменяются при прохождении через каждое устройство 3-го уровня составной сети, например, через маршрутизатор. Это происходит вследствие того, что в кадре используется локальная адресация 2-го уровня, а пакеты адресуются с использованием логического адреса 3-го уровня, и в пакете задается конечный IP-адрес узла назначения.

Таким образом, при передаче данных через составную сеть IP-адреса узла назначения и узла источника остаются неизменными, МАС-адреса назначения и источника изменяются при прохождении каждого маршрутизатора.

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 трейлере. Правильность принятых данных проверяется с использованием циклического кода CRC. Если расчетный результат и контрольная сумма не совпадают, то кадр отбрасывается. При положительном результате сравнения из кадра извлекается пакет, который проверяется, предназначен ли пакет сетям, прямо присоединенным к данному маршрутизатору, или его надо передать другому устройству составной сети, т.е. маршрутизировать.

В тех случаях, когда в маршрутизатор поступает пакет, чей адрес сети назначения в таблице маршрутизации отсутствует, пакет отбрасывается. Чтобы пакет не уничтожался, на маршрутизаторах формируют маршрут по умолчанию. Например, на маршрутизаторе R-С сформированный маршрут по умолчанию (S* 0.0.0.0/0 [1/0] via 200.6.6.2) позволяет все пакеты с неизвестными адресами сетей назначения направлять в сторону Интернета, через интерфейс S1/1, к которому присоединена сеть 200.6.6.0. В таблице маршрутизации будет запись о том, что сформирован шлюз последней надежды к любой неизвестной сети (Gateway of last resort is 200.6.6.2 to network 0.0.0.0).

R-C#show ip route
...
Gateway of last resort is 200.6.6.2 to network 0.0.0.0

R 192.168.10.0/24 [120/2] via 210.30.30.9, 00:00:09, Serial1/2
R 198.20.20.0/24 [120/1] via 210.30.30.9, 00:00:09, Serial1/2
C 200.6.6.0/24 is directly connected, Serial1/1
C 200.7.7.0/24 is directly connected, Serial1/3
R 200.9.9.0/24 [120/1] via 200.7.7.1, 00:00:13, Serial1/3
               [120/1] via 210.30.30.9, 00:00:09, Serial1/2
C 200.40.40.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0
C 210.30.30.0/24 is directly connected, Serial1/2
S*   0.0.0.0/0 [1/0] via 200.6.6.2
R-C#