Функции маршрутизаторов

Протокол ARP

В локальных сетях телекоммуникаций на основе дейтаграмм устройствам необходимы как МАС-адрес, так и IP-адрес, которые для каждого узла образуют соответствующую пару. На каждом конечном узле можно посмотреть его физический адрес и IP-адрес по команде ipconfig /all ( рис. 6.7). Из распечатки следует, что физическим МАС-адресом конечного узла является 00-19-D1-93-7E-BE, а логическим IP-адресом – 10.0.118.52.

Протокол ARP может по IP-адресу автоматически определить МАС-адрес устройства. Каждое устройство в сети поддерживает таблицу ARP table, которая содержит соответствующие MAC- и IP-адреса других устройств той же локальной сети. Таблица ARP любого узла может быть просмотрена по команде arp -a ( рис. 6.8). Записи таблицы хранятся в памяти RAM, где динамически поддерживаются.

Рис. 6.7. Результат выполнения команды ipconfig /all

Если узлы долго не передают данные, то соответствующие записи из таблицы удаляются, что представлено на рис. 6.8, где таблица содержит только одну пару IP- и MAC-адресов.

Рис. 6.8. Таблица ARP

Таблица ARP пополняется динамически путем контроля трафика локального сегмента сети. Все станции локальной сети Ethernet анализируют трафик, чтобы определить, предназначены ли данные для них. При этом IP- и MAC-адреса источников дейтаграмм записываются в таблице ARP. Например, после общения с узлом 10.0.118.65 в таблице ARP появляется вторая запись ( рис. 6.9).

Рис. 6.9. Изменения в таблице ARP

Когда устройство передает пакет по IP-адресу назначения, оно проверяет, имеется ли в ARP-таблице соответствующий МАС-адрес назначения. Если соответствующая запись имеется, то она используется при инкапсуляции пакета в кадр данных. Данные передаются по сетевой среде, устройство назначения принимает их.

Если узел не находит соответствующей записи в таблице ARP, то он для получения MAC-адреса назначения посылает в локальную сеть широковещательный ARP-запрос, в котором задается сетевой логический IP-адрес устройства назначения. Все другие устройства сети анализируют его. Если у одного из локальных устройств IP-адрес совпадает с запрашиваемым, то устройство посылает ARP-ответ, который содержит пару IP- и MAC-адресов. Эта пара записывается в ARP-таблице. Если в локальной сети нет запрашиваемого IP-адреса, то устройство-источник сообщает об ошибке.

Когда данные передаются за пределы локальной сети, то для передачи сообщения необходимы IP- и MAC-адреса как устройства назначения, так и промежуточных маршрутизирующих устройств. 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. Таким образом, сформированный конечным устройством кадр поступит на интерфейс маршрутизатора, который после анализа адреса сети назначения и обращения к таблице маршрутизации продвинет пакет на выходной интерфейс.

Передать данные по адресу устройства, которое находится в другом сегменте сети, можно также за счет установки шлюза по умолчанию. Шлюз по умолчанию имеет IP-адрес входного интерфейса маршрутизатора на пути к устройству назначения. Этот адрес хранится в конфигурационном файле конечного узла (хоста). Источник сообщения сравнивает IP-адрес назначения со своим IP-адресом и определяет, находятся ли эти адреса в одном сегменте сети или в разных сегментах. Если они находятся в разных сегментах, то данные будут переданы только при условии, что установлен шлюз по умолчанию.

Таким образом, при передаче данных по сети ( рис. 6.6) Host X для нахождения МАС-адреса назначения посылает в сеть широковещательный ARP запрос, в котором задается IP-адрес устройства назначения, на который Router A в ответ посылает МАС-адрес своего входного интерфейса, и передаваемый пакет поступает в маршрутизатор.

Маршрутизатор А извлекает пакет из кадра, обрабатывает заголовок поступившего пакета, использует таблицу маршрутизации, чтобы определить сеть адресата, и затем продвигает пакет к выходному интерфейсу. Пакет вновь инкапсулируется в новый кадр данных и направляется следующему маршрутизатору B, при этом в заголовке кадра может указываться новый МАС-адрес входного интерфейса этого маршрутизатора. Этот процесс происходит каждый раз, когда пакет проходит через очередной маршрутизатор. В конечном маршрутизаторе (в данном примере – маршрутизатор C, рис. 6.6), который связан с сетью узла назначения Сеть 2, пакет инкапсулируется в кадр локальной сети адресата с МАС-адресом устройства назначения и доставляется адресату Host Y.

Для продвижения пакета к узлу назначения маршрутизатор использует таблицу маршрутизации, основными параметрами которой являются номер (адрес) сети назначения и сетевой адрес входного интерфейса следующего маршрутизатора на пути к адресату назначения. Этот адрес интерфейса получил название следующего перехода (next hop).

Таким образом, в таблице задаются:

• адрес сети назначения;
• адрес следующего перехода;
• другие дополнительные параметры, которые различаются для разных маршрутизирующих протоколов и маршрутизаторов разных фирм, производящих оборудование.

Из дополнительных параметров в таблицы маршрутизации включается информация:

• о статической или динамической маршрутизации,
• о типе используемых протоколов маршрутизации,
• о метрике, используемой при выборе возможного пути.

Принцип построения таблиц маршрутизации рассмотрен на примере сети, построенной на маршрутизаторах и коммутаторах ( рис. 6.10). Последовательные (serial) интерфейсы маршрутизаторов на рис. 6.10 соединены между собой молниевидной линией, а порты Fast Ethernet – прямой линией. В приведенной схеме, например, D-f1 означает – первый Fast Ethernet порт маршрутизатора D, В-s2 – второй последовательный порт маршрутизатора B.

Рис. 6.10. Принцип маршрутизации в сети

Таблица маршрутизации, например маршрутизатора B (таблица 6.2), будет содержать информацию о маршрутах ко всем сетям ( рис. 6.10). Маршрут к Cети 1 лежит через последовательный интерфейс A-s1 маршрутизатора А, к Cети 3 – через последовательный интерфейс С-s1 маршрутизатора С, а к сетям Сеть 6, Сеть 7 – через интерфейс D-f1 маршрутизатора D. Адреса входных интерфейсов маршрутизаторов на пути следования пакета к адресату назначения называются адресами следующего перехода (next hop).

Вместо адреса следующего перехода часто указывают обозначение выходного интерфейса маршрутизатора, отправляющего пакет. Поскольку выходной интерфейс маршрутизатора, отправляющего пакет, и входной интерфейс следующего маршрутизатора на пути к адресату назначения соединены между собой, противоречий при этом никаких нет. Кроме удаленных сетей назначения в таблице маршрутизации указываются непосредственно (прямо) присоединенные сети с указанием выходного интерфейса. Например, таблица маршрутизации В (таблица 6.3) будет содержать три прямо присоединенных сети.

Таким образом, пакет, предназначенный одному из узлов сети, например Сети 7, попав в маршрутизатор В, будет направлен на входной интерфейс D-f1 маршрутизатора D (следующий переход). В свою очередь, в таблице маршрутизации D будет задан адрес входного интерфейса E-s1 следующего маршрутизатора E, для которого Cеть 7 является непосредственно присоединенной. Поэтому маршрутизатор Е направит пакет узлу назначения.

Краткие итоги

1. Объединение нескольких локальных сетей в глобальную (распределенную, составную) WAN-сеть происходит с помощью устройств и протоколов сетевого Уровня 3 семиуровневой эталонной модели OSI.
2. Наиболее распространенными устройствами межсетевого взаимодействия сетей, подсетей и устройств являются маршрутизаторы.
3. Маршрутизаторы имеют как LAN-, так и WAN-интерфейсы и поэтому являются устройствами как локальных, так и глобальных сетей.
4. Главными функциями маршрутизаторов являются: выбор наилучшего пути для пакетов к адресату назначения и продвижение принятого пакета с входного интерфейса на соответствующий выходной интерфейс.
5. Конфигурационный файл хранится в NVRAM. Он содержит команды и параметры для управления потоком трафика. Конфигурационный файл задает сетевые протоколы и протоколы маршрутизации, которые определяют наилучший путь для пакетов к адресуемой сети.
6. Маршрутизатор оценивает доступные пути к адресату назначения и выбирает наиболее рациональный маршрут на основе некоторого критерия – метрики.
7. Администратор может конфигурировать статические маршруты и поддерживать таблицы маршрутизации вручную. Однако большинство таблиц маршрутизации создается и поддерживается динамически, за счет использования протоколов маршрутизации, которые позволяют маршрутизаторам автоматически обмениваться информацией о сетевой топологии друг с другом.
8. Маршрутизатор ретранслирует пакет, продвигая его с входного интерфейса на выходной, для чего использует сетевую часть адреса назначения и обращается к таблице маршрутизации.
9. Основными параметрами таблицы маршрутизации являются адрес сети назначения и сетевой адрес входного интерфейса следующего маршрутизатора на пути к адресату назначения (следующий переход –next hop) или собственный выходной интерфейс маршрутизатора.
10. Протокол разрешения адресов (ARP) реализует процесс нахождения МАС-адреса по известному сетевому адресу (IP-адресу). Таблица ARP содержит MAC- и IP-адреса других устройств той же локальной сети.
11. Шлюз по умолчанию – это интерфейс, через который все пакеты из локальной сети будут передаваться в удаленные сети.

Вопросы

1. Какие устройства объединяют LAN в распределенную составную сеть?
2. Какого типа интерфейсы имеют маршрутизаторы?
3. Что означают термины DTE, DCE?
4. Для чего служит устройство CSU/DSU?
5. Могут ли маршрутизаторы объединять локальные сети различных технологий?
6. На основании чего маршрутизатор ретранслирует пакет, продвигая его с входного интерфейса на выходной?
7. Что служит оценкой наилучшего пути к адресату назначения?
8. Какой протокол позволяет находить МАС-адреса по известному сетевому адресу?
9. По какой команде может быть просмотрена таблица ARP-узла?
10. В каком случае маршрутизатор в ответ на запрос посылает ARP-ответ с MAC-адресом своего входного интерфейса, на который поступил запрос?
11. Как формируются таблицы маршрутизации?
12. Что означает термин "адрес следующего перехода" (next hop)?
13. Что означает термин "шлюз по умолчанию"?
14. Какие параметры содержит таблица марщрутизации?

Упражнения

1. Поясните, с использованием какой линии создается конфигурационный файл и где он может сохраняться.
2. Изобразите схему составной сети из четырех маршрутизаторов, последовательно соединенных через Fast Ethernet интерфейсы. Обозначьте интерфейсы. Укажите, МАС-адреса каких интерфейсов будут использоваться в качестве адресов источников и адресов назначения передаваемых кадров при их прохождении через каждый маршрутизатор.
3. Укажите основные параметры таблицы маршрутизации маршрутизатора В ( рис. 6.6).
4. Поясните, какие параметры можно посмотреть на каждом конечном узле по команде ipconfig /all.
5. Поясните, почему из двух последовательно соединенных серийных интерфейсов маршрутизаторов один должен выполнять роль устройства DCE, а второй – устройства DTE.