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 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"

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 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 передачи данных рассмотрен на примере сети ( рис. 8.4) от узла Host X до узла Host Y через маршрутизаторы A, B, C. Маршрутизаторы соединены между собой через порты Fast Ethernet, номера которых также приведены на рисунке. Интерфейсы Fast Ethernet характеризуются физическими МАС-адресами и логическими IP-адресами. Адреса узлов и интерфейсов маршрутизаторов, задействованных в процессе передачи, приведены в таблице 8.1. Сетевая маска во всех сетях задана одинаковой и равной 255.255.255.0.

Рис. 8.4. Передача данных по сети

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, необходима маршрутизация.

На канальном уровне узел Host X инкапсулирует сформированный пакет в кадр соответствующей технологии, например, Fast Ethernet. 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, 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, 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 и отвечает МАС-адресом 0001AAAA1111.

В соответствии с полученным МАС-адресом 0001AAAA1111 формируется кадр, который по физической среде передается в маршрутизатор Router_A:

В маршрутизаторе Router_A из кадра извлекается (декапсулируется) пакет данных. Производится логическое умножение IP-адреса назначения на маску и определяется сеть назначения. Затем происходит обращение к таблице маршрутизации, в соответствии 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 Fast Ethernet порту F0/2 маршрутизатора Router_A. В новом пакете изменяются некоторые поля заголовка, но IP-адреса источника и узла назначения остаются неизменными:

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, как было описано выше. МАС-адресом узла назначения будет физический адрес входного интерфейса маршрутизатора Router_В – 0001BBBB1111.

Новый кадр передается на входной порт маршрутизатора Router_В:

Приняв кадр, маршрутизатор Router_В извлекает из него пакет данных и с применением 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:

В маршрутизаторе Router_С, так же 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, кадр передается узлу назначения Host Y:

Протокол сетевого уровня узла Host Y извлекает из кадра пакет данных. Если пакет при передаче был фрагментирован, из фрагментов формируется целый пакет и через соответствующий интерфейс направляется на транспортный уровень, где из пакетов извлекаются сегменты данных, а из сегментов формируется сообщение.

При передаче данных через соединения "точка-точка" (см. например, схемы рис. 6.5) 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.

На пути кадра к устройству назначения его заголовок и трейлер 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 применением логического адреса 3-го уровня и в пакете задается конечный 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 меняются 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.

Если пакет необходимо маршрутизировать, IP-адрес сети назначения сравнивается с таблицей маршрутизации. При нахождении соответствующей записи в таблице пакет будет переслан на интерфейс, определенный в строке таблицы маршрутизации. Когда пакет коммутируется на выходной интерфейс, формируется новый кадр с новым заголовком и новым значением CRC в трейлере. Кадр затем передается в новый домен на пути к адресату назначения.