Основные принципы маршрутизации

Маршрутизатор имеет несколько портов, каждый из которых включается в другую подсеть и по логике доступа к среде каждой подсети является ее независимым узлом. Поэтому каждый порт маршрутизатора имеет свой MAC –адрес и свой сетевой адрес, а само устройство в целом адреса не имеет.

Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы и конечные узлы. Маршрут выбирается на основании имеющейся у устройств информации о топологии сети, а также на основании указанного критерия (метрики) выбора маршрута. Обычно в качестве критерия выступает время прохождения маршрута отдельным пакетом или средняя пропускная способность маршрута для серии пакетов. Часто также используется весьма простая метрика, учитывающая только количество пройденных в маршруте промежуточных маршрутизаторов.

Информация о наилучших маршрутах хранится в таблице маршрутизации. Таблицы разных маршрутизаторов могут выглядеть по-разному, но в них обязательно будут присутствовать следующие поля:

Сеть назначения

Сетевой адрес следующего маршрутизатора

Идентификатор собственного выходного порта

Метрика. (например, расстояние до сети назначения в количестве промежуточных узлов)

Для уменьшения размеров таблиц маршрутизации в больших сетях вводят путь по умолчанию. При этом в таблицу данного маршрутизатора включаются непосредственно подключенные к нему сети, сети, расположенные поблизости, и тупиковые ветви сети, а остальные части сети адресуются маршрутом по умолчанию.

Рис. 7.2. Построение таблиц маршрутизации

Некоторые реализации сетевых протоколов допускают наличие в таблицах нескольких строк, соответствующих одному адресу сети назначения, если их метрики одинаковы или разница между ними не превышает заданного значения. В многомаршрутных таблицах должно быть задано правило, по которому выбирается один из доступных альтернативных маршрутов. Чаще всего один путь является основным, а остальные – резервными. Резервные маршруты могут выбираться тогда, когда основной путь по причине технических неполадок становится недоступен.

Наличие нескольких маршрутов к одному узлу делают возможной передачу трафика к этому узлу по нескольким каналам параллельно (поочередная посылка пакетов по каждому маршруту), что повышает пропускную способность и надежность сети. Такая возможность называется балансировкой нагрузки и поддерживается рядом протоколов маршрутизации.

Если маршрутизатор поддерживает несколько классов сервиса для пакетов (по разным критериям), то для каждого класса (критерия) составляется отдельная таблица маршрутизации.

Как уже отмечалось, задачу маршрутизации решают не только маршрутизаторы, но и конечные узлы-компьютеры.

Протокол сетевого уровня конечного узла прежде всего определяет, находятся ли отправитель и получатель в одной сети (тогда маршрутизация не нужна) или пакет адресован компьютеру другой сети (тогда нужна маршрутизация). Таблица маршрутизации у компьютера выглядит аналогично таблице маршрутизатора, только гораздо меньше по размерам. Конечный узел вообще может обходиться без нее, так как ему достаточно знать только адрес маршрутизатора по умолчанию (из ЛВС во внешнюю сеть обычно ведет только один маршрутизатор).

Маршрутизаторы строят свои таблицы в основном автоматически, обмениваясь друг с другом служебной информацией с помощью сообщений протоколов маршрутизации. Для конечных узлов таблицы маршрутизации либо создаются вручную администраторами сети, либо автоматически и хранятся в виде файлов на дисках.

Например, для стека TCP/IP создавать и редактировать записи таблиц можно с помощью утилиты Route, а для автоматической настройки стека, откуда потом берется информация для таблицы маршрутизации компьютера, существует протокол DHCP. Протокол прикладного уровня DHCP имеет клиент серверную организацию. Сервер DHCP может назначать клиентским компьютерам постоянные или динамические IP-адреса из общего адресного пула, или (для некоторых компьютеров) те адреса, которые указал администратор сети. В отличие от постоянного динамический адрес назначается компьютеру при его запуске на определенный промежуток времени, а по истечении этого времени, если компьютер не активен, адрес снова возвращается в пул.

Таблица маршрутизации узла A на рис.7.2. может выглядеть примерно следующим образом:

Сети назначения	Сетевой адрес следующего маршрутизатора	Идентификатор собственного выходного порта	Расстояние до сети назначения (число промежуточных узлов)
S12	-	MA
Default	M17(1)	MA	-

7.3. Реализация межсетевого взаимодействия средствами стека TCP/IP

7.3.1.Краткая характеристика стека TCP/IP

В стеке TCP/IP определены четыре уровня. Каждый из этих уровней ориентирован на решение ряда задач по организации надежной и производительной работы составной сети, части которой построены на основе разных сетевых технологий. Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем OSI, то, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI не совсем точно (рис.7.3).

Уровень OSI	Названия протоколов	Уровень ТСP/IP
Прикладной	Telnet, FTP, SMTP, HTTP, SNMP,…	Прикладной
Представительный	SSL
Сеансовый	TCP, UDP	Основной уровень
Транспортный
Сетевой	IP, RIP,OSPF,ARP,ICMP	Уровень Межсетевого взаимодействия
Канальный	Ethernet, TokenRing, FDDI, SLIP, PPP, HDLC, Frame relay, ATM	Уровень сетевых интерфейсов (конкретные протоколы стеком не регламентируется)
Физический	Спецификации для разных типов кабеля (например, 100Base TX)

Рис. 7. 3. Соответствие уровней стека TCP/IP семиуровневой модели OSI

Уровень межсетевого взаимодействия

Стержнем всей архитектуры является уровень межсетевого взаимодействия, который реализует концепцию передачи пакетов в режиме без установления соединений, то есть дейтаграммным способом. Именно этот уровень обеспечивает возможность перемещения пакетов по сети, используя тот маршрут, который в данный момент является наиболее рациональным. Этот уровень также называют уровнем internet, указывая тем самым на основную его функцию — передачу данных через составную сеть.

Основным протоколом сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке является протокол IP (Internet Protocol). Этот протокол изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Так как протокол IP является дейтаграммным протоколом, он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения и не занимается повторной отправкой испорченных и потерянных пакетов, при необходимости это делает протокол транспортного уровня TCP.

Важное свойство IP протокола – способность фрагментировать пакет с длинным полем данных при передаче через сеть, допускающую только кадры с меньшим полем данных.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся также все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), протокол разрешения сетевых адресов в локальные ARP, протокол группового управления IGMP, а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщает о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т. п.

Основной уровень

Поскольку на сетевом уровне не устанавливаются соединения, то нет никаких гарантий, что все пакеты будут доставлены в место назначения целыми и невредимыми или придут в том же порядке, в котором они были отправлены. Эту задачу — обеспечение надежной информационной связи между двумя конечными узлами — решает основной уровень стека TCP/IP, называемый также транспортным.

На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования логических соединений, т.е. это протокол с установлением соединения между получателем и отправителем. Этот протокол позволяет равноранговым объектам на компьютере-отправителе и компьютере-получателе поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байт в любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части — сегменты, нумерует их и передает ниже лежащему уровню межсетевого взаимодействия. Пересылка пакетов в протоколе TCP осуществляется методов скользящего окна: с подтверждением получения пакетов с помощью квитанций от получателя и повторной отсылкой испорченных пакетов отправителем в том случае, если он (отправитель) не получил квитанцию в течении времени таймаута. После того как все сегменты в пакетах будут доставлены средствами протокола межсетевого взаимодействия IP в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.

Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и главный протокол уровня межсетевого взаимодействия IP, и выполняет только функции связующего звена (мультиплексора) между сетевым протоколом и многочисленными службами прикладного уровня или пользовательскими процессами. Этот протокол работает быстрее, но не гарантирует доставки пакетов, поэтому может использоваться, для передачи единичных сообщений или мультимедийного трафика реального времени.

Прикладной уровень

Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые системой пользовательским приложениям. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. Прикладной уровень реализуется программными системами, построенными в архитектуре клиент-сервер, базирующимися на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трех уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и «не интересуются» способами передачи данных по сети. Этот уровень постоянно расширяется за счет присоединения к старым, прошедшим многолетнюю эксплуатацию сетевым службам типа Telnet, FTP, TFTP, DNS, SNMP сравнительно новых служб таких, например, как протокол передачи гипертекстовой информации HTTP, IMAP4, NTP и др.

Краткая справка:

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) – используется клиентами и серверами WEB для обмена запросами на передачу файлов и самими файлами. Броузер клиента устанаволивает TCP -соединение с сервером и отправляет запрос на передачу определенного файла. В ответ сервер посылает файл, который отображается броузером в виде WEB –страницы. HTTP – сообщения также содержат разнообразные поля с информацией о системах, между которыми установлено соединение.

HTTPS или S-HTTP (Secure Hypertext Transfer Protocol) – используется в транзакциях между клиентами и серверами WEB для авторизации пользователей и шифрования передаваемых данных. Протокол HTTPS работает поверх протокола SSL.

FTP (File Transfer Protocol) – применяется для передачи файлов между TCP/IP – системами. Клиент FTP просматривает структуру каталога на сервере, к которому подключен, и выбирает фай2лы для пересылки. В работе протокола применяются 2 отдельных порта. Подключаясь к серверу, клиент FTP использует для установки управляющего соединения TCP – порт 21. Это соединение остается пока клиент его не прервет. При попытке загрузки файла программа открывает второе TCP –соединение с портом 20 для передачи данных, которое закрывается после завершения передачи файла. Особенность FTP еще и в том, что в большинстве TCP/IP –систем он представляет собой не просто протокол, которое используют другие приложения, а является самостоятельным приложением.

TFTP (Trivial File Transfer Protocol) – сокращенная версия FTP. Вместо TCP в нем используется UDP. Этот протокол не в отличии от полного не поддержмвает автори0зацию и интерфейсные функции. Первоначально он разрабатывался для бездисковых станций, которым необходимо копировать исполняемые загрузочные файлы с сетевого сервера.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – применяется почтовыми серверами для обмена сообщениями по сети.

POP3 (Post Office Protocol) – один из протоколов, применяемых клиентами электронной почты для доставки сообщений с почтового сервера.

IMAP4 (Internet Mail Access Protocol) – почтовый протокол, с помощью которого клиенты получают сообщения на сервере. Протокол обладает большими возможностями, чем POP3. Он, например, позволяет пользователю создавать отдельные папки для хранения сообщений на сервере.

NTP (Network Time Protocol) – служит для синхронизации часов компьютеров в сети.

DNS (Domain Name System) – используется в TCP/IP системах для преобразования доменных имен хостов в IР – адреса.

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) – применяется в сети для получения рабочими станциями от сервера информации о параметрах конфигурации стека TCP/IP.

SNMP (Simple Network Management Protocol) – протокол управления сетью, который используется сетевыми администраторами для сбора информации о различных узлах сети. С помощью сообщений SNMP встроенные в узлы программы – агенты собирают статистические сведения и передают их дистанционно на центральную консоль управления сетью.

Telnet – программа для эмуляции командной строки терминала, позволяющая пользователю подключиться к удаленному компьютеру и запускать на нем команды и программы.

Уровень сетевых интерфейсов

Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой организации других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня — уровня сетевых интерфейсов. Протоколы этого уровня должны обеспечивать интеграцию в составную сеть сетей разных технологий. Отсюда следует, что этот уровень нельзя определить раз и навсегда. Уровень сетевых интерфейсов в протоколах TCP/IP не регламентируется, но он поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, для глобальных сетей — протоколы соединений «точка-точка» SLIP и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов Х. 25, frame relay, ATM. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP.