Структуризация компьютерных сетей с использованием маршрутизаторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структуризация компьютерных сетей с использованием машрутизаторов

1. Функциональные ограничения мостов и коммутаторов

Сегментация сети с помощью мостов и коммутаторов даже в предельном случае - в полностью коммутируемой среде - не позволяет безгранично увеличивать количество узлов сети.

Дело в том, что в сетях, кроме кадров, пересылаемых от одного узла к конкретному другому, всегда присутствуют и широковещательные {broadcast) кадры.

Эти кадры обычно используются для рекламирования услуг серверами или, наоборот, для опроса существующих серверов, а также для иных служебных целей.

В последнее время все шире стало применяться и групповое многоадресное вещание (multicast), где кадры должны доставляться всем узлам - членам группы. В большой коммутируемой сети широковещательный и групповой трафик, беспрепятственно распространяющийся через все порты коммутаторов, может вызывать значительные и длительные перегрузки.

Допустимый уровень широковещательного трафика является одним из факторов, ограничивающих предельный размер (по числу узлов) для логической сети.

Решить проблемы роста позволяет разбивка сети на логические подсети, не связанные между собой традиционными коммуникационными устройствами 1-2 уровня (повторителями, мостами и коммутаторами). Для обеспечения взаимодействия узлов разных подсетей приходится обеспечивать и передачу потоков кадров между подсетями.

Передача кадров между подсетями должна регулироваться на основе информации более высоких протокольных уровней модели OSI (3 и выше) или по правилам, устанавливаемым администратором сети.

Таким образом, к основным недостаткам сетей, построенных с использованием мостов и коммутаторов, можно отнести следующие:

1. В топологии сети должны отсутствовать петли.

2. Логические сегменты сети, расположенные между мостами или коммутаторами, слабо изолированы друг от друга, а именно - не защищены от широковещательных штормов.

3. В сетях, построенных на основе мостов и коммутаторов, достаточно сложно решается задача управления трафиком на основе значения данных, содержащихся в пакете. В таких сетях это возможно только с помощью пользовательских фильтров, для задания которых администратору приходится иметь дело с двоичным представлением содержимого пакетов, что усложняет работу администратора.

4. Реализация транспортной подсистемы только средствами физического и канального уровней, к которым относятся мосты и коммутаторы, приводит к недостаточно гибкой, одноуровневой системе адресации.

5. Возможностью трансляции протоколов канального уровня обладают далеко не все типы мостов и коммутаторов, к том у же эти возможности ограничены. В частности, в объединяемых сетях должны совпадать максимально допустимые размеры полей данных в кадрах, так как мостами и коммутаторами не поддерживается функция фрагментации кадров.

Наличие серьезных ограничений у протоколов канального уровня показывает, что построение на основе средств этого уровня больших неоднородных сетей является весьма проблематичным. Естественное решение в этих случаях - это привлечение средств более высокого, сетевого уровня модели OSI.

2. Принципы объединения сетей на основе протоколов сетевого

уровня

В стандартной модели взаимодействия открытых систем в функции сетевого уровня входит решение следующих задач:

-> передача пакетов между конечными узлами в составных сетях;

-> выбор маршрута передачи пакетов, наилучшего по некоторому критерию;

-> согласование разных протоколов канального уровня, которые используются в отдельных подсетях составной сети.

Протоколы сетевого уровня реализуются, как правило, в виде программных модулей и выполняются на конечных узлах-компьютерах, называемых хостами, а также на промежуточных узлах - маршрутизаторах, называемых шлюзами. Функции маршрутизаторов могут выполнять как специализированные устройства, так и универсальные компьютеры с соответствующим ПО.

Маршрутизатор представляет собой промежуточную систему с несколькими интерфейсами (портами), оперирующую информацией пакетов сетевого уровня, заключенных в кадры сети.

Каждый порт имеет свой физический адрес (МАС-адрес), по которому к нему обращаются узлы, нуждающиеся в межсетевой передаче пакетов. С каждым из портов связываются один или несколько сетевых протоколов (IP, IPX, AppleTalk) и одна или несколько подсетей.

Маршрутизатор пересылает между портами (подсетями) только те пакеты, которые предназначаются адресатам подсети выходного порта. При этом возможна и фильтрация - передача пакетов, соответствующих определенным критериям.

Критерии фильтрации могут быть различными - разрешение/запрет передачи пакетов заданных протоколов верхних уровней, заданных адресатов и др. Маршрутизаторы используются и как средства обеспечения безопасности, препятствующие прозрачному взаимодействию между узлами разных подсетей. Маршрутизаторы необходимы для связи пространственно удаленных подсетей, когда имеются жесткие ограничения на полосу пропускания каналов связи.

3. Принципы маршрутизации

Важнейшей задачей сетевого уровня является маршрутизация - передача пакетов между двумя конечными узлам в составной сети.

Рассмотрим принципы маршрутизации на примере составной сети, изображенной на рис. 1. В этой сети пять маршрутизаторов объединяют шесть сетей в общую сеть.

Маршрутизаторы имеют по несколько портов (по крайней мере, по два), к которым присоединяются сети.

Каждый порт маршрутизатора можно рассматривать как отдельный узел сети: он имеет собственный сетевой адрес и собственный локальный адрес в той подсети, которая к нему подключена.

Например, маршрутизатор под номером 2 имеет три порта, к которым подключены три сети (FDDI Ring 1, Token Ring 1 и Ethernet).

Таким образом, маршрутизатор можно рассматривать как совокупность нескольких узлов, каждый из которых входит в свою сеть. Как единое устройство маршрутизатор не имеет ни отдельного сетевого адреса, ни какого-либо локального адреса.

Рис. 1. - Сложная сеть, структурированная с применением

В сложных составных сетях почти всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами.

Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которую должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения. Так, пакет, отправленный из узла АРМ 1 в узел АРМ 2, может пройти через маршрутизатор 1 или маршрутизаторы 1, 2. Нетрудно найти еще несколько маршрутов между этими узлами.

Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы. Маршрут выбирается на основании имеющейся у этих устройств информации о текущей конфигурации сети, а также на основании указанного критерия выбора маршрута.

Обычно в качестве критерия выступает задержка прохождения маршрута отдельным пакетом или средняя пропускная способность маршрута для последовательности пакетов.

Часто также используется весьма простой критерий, учитывающий только количество пройденных в маршруте промежуточных маршрутизаторов (хопов).

Чтобы по адресу сети назначения можно было выбрать рациональный маршрут дальнейшего следования пакета, каждый конечный узел и маршрутизатор анализируют специальную информационную структуру, которая называется «таблицей маршрутизации».

В одном столбце таблицы перечисляются номера сетей, входящих в интерсеть.

В каждой строке таблицы следом за номером сети указывается сетевой адрес следующего маршрутизатора (более точно - сетевой адрес соответствующего порта следующего маршрутизатора), на который надо направить пакет, чтобы тот продвигался по направлению к сети с данным номером по рациональному маршруту.

Когда на маршрутизатор поступает новый пакет, номер сети назначения, извлеченный из поступившего кадра, последовательно сравнивается с номерами сетей из каждой строки таблицы. Строка с совпавшим номером сети указывает, на какой ближайший маршрутизатор следует направить пакет.

4. Протоколы маршрутизации

сеть узел протокол маршрутизатор

Для автоматического построения таблиц маршрутизации маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии составной сети в соответствии со специальным служебным протоколом.

Протоколы этого типа называются протоколами маршрутизации (или маршрутизирующими протоколами). Протоколы маршрутизации (например, RIP, OSPF, NLSP) следует отличать от собственно сетевых протоколов (например, IP, IPX).

И те, и другие выполняют функции сетевого уровня модели OSI - участвуют в доставке пакетов адресату через разнородную составную сеть. Но в то время, как первые собирают и передают по сети чисто служебную информацию, вторые предназначены для передачи пользовательских данных, как это делают протоколы канального уровня.

Протоколы маршрутизации используют сетевые протоколы как транспортное средство.

При обмене маршрутной информацией пакеты протокола маршрутизации помещаются в поле данных пакетов сетевого уровня или даже транспортного уровня, поэтому, с точки зрения вложенности пакетов, протоколы маршрутизации формально следовало бы отнести к более высокому уровню, чем сетевой.

В том, что маршрутизаторы для принятия решения о продвижении пакета обращаются к адресным таблицам, можно увидеть их некоторое сходство с мостами и коммутаторами. Однако природа используемых ими адресных таблиц значительно различается.

Вместо МАС-адресов в таблицах маршрутизации указываются номера сетей, которые соединяются в интерсеть.

Другим отличием таблиц маршрутизации от адресных таблиц мостов является способ их создания. В то время как мост строит таблицу, пассивно наблюдая за проходящими через него информационными кадрами, посылаемыми конечными узлами.

Маршрутизаторы по своей инициативе обмениваются специальными служебными пакетами, сообщая соседям об известных им сетях в интерсети, маршрутизаторах и о связях этих сетей с маршрутизаторами. Обычно учитывается не только топология связей, но и их пропускная способность и состояние.

Это позволяет маршрутизаторам быстрее адаптироваться к изменениям конфигурации сети, а также правильно передавать пакеты в сетях с произвольной топологией, допускающей наличие замкнутых контуров.

С помощью протоколов маршрутизации маршрутизаторы составляют карту связей сети той или иной степени подробности.

На основании этой информации для каждого номера сети принимается решение о том, какому следующему маршрутизатору надо передавать пакеты, направляемые в эту сеть, чтобы маршрут оказался рациональным. Результаты этих решений заносятся в таблицу маршрутизации.

При изменении конфигурации сети некоторые записи в таблице становятся недействительными.

В таких случаях пакеты, отправленные по ложным маршрутам, могут зацикливаться и теряться. В соответствии с этим подходом маршрутизация выполняется по распределенной схеме: каждый маршрутизатор ответственен за выбор только одного шага маршрута, а окончательный маршрут складывается в результате работы всех маршрутизаторов, через которые проходит данный пакет.

Такие алгоритмы маршрутизации называются одношаговыми. Существует и прямо противоположный, многошаговый подход - маршрутизация от источника (Source Routing).

В соответствии с ним узел-источник задает в отправляемом в сеть пакете полный маршрут его следования через все промежуточные маршрутизаторы.

При использовании многошаговой маршрутизации нет необходимости строить и анализировать таблицы маршрутизации.

Это ускоряет прохождение пакета по сети, разгружает маршрутизаторы, но при этом большая нагрузка ложится на конечные узлы.

Однако в новой версии протокола IP, наряду с классической одношаговой маршрутизацией, будет разрешена и маршрутизация от источника.

Одношаговые алгоритмы в зависимости от способа формирования таблиц маршрутизации делятся на три класса:

-> алгоритмы фиксированной (или статической) маршрутизации;

-> алгоритмы простой маршрутизации;

-> алгоритмы адаптивной (или динамической) маршрутизации.

В алгоритмах фиксированной маршрутизации все записи в таблице маршрутизации являются статическими.

Администратор сети сам решает, на какие маршрутизаторы надо передавать пакеты с теми или иными адресами, и вручную (например, с помощью утилиты route ОС Unix или Windows NT) заносит соответствующие записи в таблицу маршрутизации.

В алгоритмах простой маршрутизации таблица маршрутизации либо вовсе не используется, либо строится без участия протоколов маршрутизации. Выделяют три типа простой маршрутизации:

-> случайная маршрутизация, когда прибывший пакет посылается в первом попавшемся случайном направлении, кроме исходного;

-> лавинная маршрутизация, когда пакет широковещательно посылается по всем возможным направлениям, кроме исходного (аналогично обработке мостами кадров с неизвестным адресом);

-> маршрутизация по предыдущему опыту, когда выбор маршрута осуществляется согласно таблице, но такая таблица строится по принципу моста путем анализа адресных полей пакетов, появляющихся на входных портах.

Самыми распространенными являются алгоритмы адаптивной (или динамической) маршрутизации.

Адаптивные алгоритмы маршрутизации должны отвечать нескольким важным требованиям.

Во-первых, они должны обеспечивать если не оптимальность, то хотя бы рациональность маршрута.

Во-вторых, алгоритмы должны быть достаточно простыми, чтобы при их реализации не тратилось слишком много сетевых ресурсов. В частности, они не должны требовать слишком большого объема вычислений или порождать интенсивный служебный трафик.

И наконец, алгоритмы маршрутизации должны обладать свойством сходимости, то есть всегда приводить к однозначному результату за приемлемое время.

Адаптивные протоколы обмена маршрутной информацией, применяемые в настоящее время в вычислительных сетях, в свою очередь, делятся на две группы, каждая из которых связана с одним из следующих типов алгоритмов:

-> дистанционно-векторные алгоритмы (Distance Vector Algorithms, DVA).

В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор, компонентами которого являются расстояния от данного маршрутизатора до всех известных ему сетей.

Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В больших они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком.

Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP:

и алгоритмы состояния связей (Link State Algorithms, LSA). Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети.

и Вершинами графа являются как маршрутизаторы, так и объединяемые ими сети. Чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами HELLO со своими ближайшими соседями.

и Протоколами, основанными на алгоритме состояния связей, являются протоколы ISIS (Intermediate System to Intermediate System) стека OSI, OSPF (Open Shortest Path First) стека TCP/IP и недавно реализованный протокол NLSP стека Novell.

Размещено на Allbest.ru