Методические указания
В процессе передачи пакетов в сети интернет применяется стандартизованная система адресов. В IP-сетях используются три типа адресов: физический (МАС-адрес), сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя). Поэтому каждый компьютер в сети TCP/IP имеет адреса трех уровней: локальный, сетевой и символьный.
Номер узла (хоста) IP-сети представляется четырехбайтным числом, где байты разделены точками. Номер конкретного потребителя (маска) представляется также четырехбайтным числом. Все номера разделены на классы. Когда все номера установлены, то начинается передача пакетов информации из одной IP-сети к другой IP- сети. Процесс передачи пакетов информации осуществляют маршрутизаторы. Для передачи информационного пакета маршрутизатор должен владеть следующей информацией:
- знать адрес назначения;
- иметь связь с соседними маршрутизаторами, от которых может узнать адреса
удаленных сетей;
- знать доступные пути ко всем удаленным сетям;
- обладать умением выбирать оптимальный путь связи с удаленной сетью;
- владеть методами обслуживания и проверки качества прохождения
информационного пакета по выбранному маршруту.
Маршрутизатор узнает от соседних маршрутизаторов или от администратора сети об удаленных сетях. После этого строит таблицу маршрутизации, в которой формирует канал соединения с удаленной сетью. Если сеть соединена к маршрутизатору, то пакет направляется потребителю. В противном случае маршрутизатор должен узнать пути доступа к удаленной сети, используя статическую маршрутизацию, маршрутизацию по умолчанию или динамическую маршрутизацию. Как такой процесс реализуется, рассмотрим подробнее.
Статическая IP- маршрутизации
 |
IP-маршрутизация процесс не сложный и одинаковый во всех сетях. Например, на рис. 1 показан процесс пошагового взаимодействия узла А с узлом В.
Пользователь узла А запрашивает по Ping IP-адрес узла В. Дальнейшие операции выполняются поэтапно следующим образом:
1. В командной строке пользователь узла А вводит ping 175.16.20.2. На узле А генерируется пакет с помощью протоколов IP и ICMP.
2. IP обращается к протоколу ARP для выяснения сети назначения для пакета, просматривая IP-адрес и адрес подсети конкретного пользователя узла В. Запрос выполняется к удаленному узлу и не предназначен для локальной сети пользователя. Поэтому пакет направляется маршрутизатору для перенаправления в удаленную сеть.
3. Чтобы узел А мог направить свой пакет маршрутизатору, он должен знать аппаратный адрес интерфейса маршрутизатора, подключенного к его локальной сети. Сетевой уровень передает пакет и аппаратный адрес назначения канальному уровню для деления на кадры и пересылки локальному узлу. Для получения аппаратного адреса узел ищет местоположение точки назначения в собственной памяти, называемой кэшем ARP.
4. Если IP-адрес еще не был доступен и не присутствует в кэше ARP, узел посылает широковещательную рассылку ARP для поиска аппаратного адреса по IP-адресу 175.16.10.1. Поэтому первый запрос Ping, как правило, заканчивается тайм-аутом, а последующие четыре заканчиваются успешно. После кэширования адреса тайм-аута возникать не должно.
5. Маршрутизатор отвечает и сообщает аппаратный адрес интерфейса Ethernet, подключенного к локальной сети. После этого узел обладает свей информацией для пересылки пакета маршрутизатору по локальной сети. Сетевой уровень спускает пакет вниз для генерации эхо-запроса ICMP (Ping) на канальном уровне, дополняя пакет аппаратным адресом, по которому узел должен отослать пакет. Пакет имеет IP-адреса отправителя и приемника с указанием на тип пакета (ICMP) в поле протокола сетевого уровня.
6. Канальный уровень формирует кадр, в котором инкапсулируется пакет вместе с управляющей информацией, необходимой для пересылки в локальной сети. К такой информации относятся аппаратные адреса отправителя и приемного устройства, а также значения в поле типа, установленного протоколом сетевого уровня. На рис. 2 показана схема, генерируемая на канальном уровне и пересылаемый по локальному носителю.
На рис. 2 показана вся информация, необходимая для взаимодействия с маршрутизатором: аппаратные адреса отправителя и приемника информации, IP-адреса отправителя и приемника, а также контрольная сумма CRC кадра, находящаяся в поле FCS (Frame Check
7. Канальный уровень узла А предает кадр физическому уровню. Там выполняется кодирование нулей и единиц в цифровой сигнал с последующей передачей этого сигнала по локальной физической сети.
8. Сигнал достигает интерфейса Ethernet 0 маршрутизатора, который синхронизируется по преамбуле цифрового сигнала для извлечения кадра. Интерфейс маршрутизатора после построения кадра проверяет CRC, а в конце приема кадра сравнивает полученное значение с содержимым полем FCS. Кроме этого он проверяет процесс передачи на отсутствие фрагментации и конфликтов носителя.
9. Проверяется аппаратный адрес получателя. Так как он совпадает с адресом маршрутизатора, то анализируется поле типа кадра для определения дальнейших действий с этим пакетом данных. В поле указан протокол IP и поэтому маршрутизатор передает пакет процессу протокола IP, исполняемому маршрутизатором. Кадр удаляется и исходный пакет, сгенерированный узлом А, помещается в буфер маршрутизатора.
10. Протокол IP анализирует IP-адрес назначения в пакете и определяет не направлен ли пакет только самому маршрутизатору. Так как IP-адрес назначения равен 175.16.20.2, то маршрутизатор определяет по своей таблице маршрутизации, то сеть 175.16.20.0 непосредственно подключена к интерфейсу Ethernet 1.
11. Маршрутизатор передает из своего буфера пакет в интерфейс Ethernet 1. При этом маршрутизатору необходимо сформировать кадр для пересылки пакета узлу назначения. Но сначала маршрутизатор проверяет свой кэш ARP, чтобы определить был ли уже разрешен аппаратный адрес во время предыдущих взаимодействий с данной сетью. Если адреса нет в кэше ARP маршрутизатор посылает широковещательный запрос ARP в интерфейс Ethernet 1 для поиска аппаратного адреса 175.16.20.2.
12.
 |
Узел В откликается аппаратным адресом своего сетевого адаптера на запрос ARP. Интерфейс Ethernet 1маршрутизатора теперь полностью имеет все необходимое для пересылки пакета в точку приема. На рис. 3 показан кадр, сгенерированный маршрутизатором и переданный по локальной физической сети.
Кадр, сгенерированный интерфейсом Ethernet 1 маршрутизатора, имеет ап
паратный адрес отправителя от интерфейса Ethernet 1 и аппаратный адрес назначения для сетевого адаптера узла В. При каждом акте передачи пакета в интерфейсе маршрутизатора изменение аппаратных адресов отправителя и приемника IP-адреса не изменяются. При этом передаваемый пакет не модифицируется, а изменяются только кадры.
13. Узел В принимает кадр и проверяет CRC. Если проверка успешная, то кадр удаляется, а пакет передается протоколу IP. В протоколе производится анализ IP-адреса назначения. Если IP-адрес назначения совпадает с адресом узла В, то протокол IP исследует поле протокола и определяет цель пакета.
14. В передаваемом пакете содержится эхо-запрос ICMP. В этой связи узел В генерирует новый эхо-ответ ICMP c IP–адресом отправителя, равным адресу узла А. Процесс запускается заново, но в противоположном направлении, и при этом аппаратные адреса всех устройств по пути следования пакета уже известны. Поэтому каждое устройство может проверить свой адрес в своем кэше ARP.
В крупных сетях процесс передачи пакета не отличается от рассмотренного, но только проходит больше участков по пути к узлу назначения.
IP-маршрутизация в крупных сетях
В крупных сетях по пути следования информационного пакета приходится задействовать несколько маршрутизаторов. Каждый маршрутизатор имеет связь только с сетями, которые к нему непосредственно подключены. Чтобы понять, как работают маршрутизаторы в сложной сети, рассмотрим конкретный пример. Пусть имеются на пути следования пакета четыре маршрутизатора. Связь между ними показана на рис. 4
На рис.4 показаны три маршрутизатора серии 2501, связанные по региональной сети, и один маршрутизатор 2621, подключенный к 2501А по сети Ethernet. Каждый маршрутизатор имеет непосредственно подключенную сеть Ethernet..
Чтобы передача пакета осуществлялась нормально, необходимо правильно сконфигурировать каждый маршрутизатор. Для этого следует разработать соответствующую таблицу. Как такая таблица представляется показано в виде табл. 1. Все сети, приведенные на рис. 4, имеют 24-разрядные подсети (маски)(255.255.255.0). Настройка конфигурации маршрутизаторов состоит в том, чтобы добавить им IP-адреса и запустить команду no shut down.
Конкретно для маршрутизатора 2621А добавляется IP-адрес интерфейсу FastEthernet O/O. Конфигурация имен узлов в каждом маршрутизаторе позволяет упростить их идентификацию в сети. Для просмотра созданной таблицы маршрутизации используется команда show ip route. В таблице маршрутизации указываются только те сети, на которые настроены маршрутизаторы.
В маршрутизаторе 2501А сконфигурированию подлежат два интерфейса – Ethernet 0 и Serial 0. Соответственно для маршрутизатора 2501В – это Serial 0, Serial 1 и Ethernet 0, а для маршрутизатора 2501С - Ethernet 0 и Serial 0.
IP маршрутизация в сети
Маршрутизаторы настроены на сети, которые к ним подключены, и производят передачу пакета только по указанным в таблице сетям. Часто возникают случаи, когда на маршрутизаторы поступают пакеты для сети не указанные в таблице. В этом случае не возможно разослать широковещательную рассылку для обнаружения удаленной сети, так как другие маршрутизаторы просто заблокируют такую рассылку. Для такой ситуации существует несколько способов настройки таблицы маршрутизации на все существующие сети, что позволит успешно перенаправлять пакеты. Разработаны разные типы маршрутизации, которые позволяют выбирать наилучший для конкретных условий метод выбора пути. При этом могут быть использованы все три типа маршрутизации: статический, по умолчанию и динамический.
Статическая маршрутизация – это процесс ввода администраторомсети путей в таблицы маршрутизации всех маршрутизаторов. Статическая маршрутизация обладает следующими преимуществами:
- отсутствует нагрузка на процессор маршрутизатора;
- полоса пропускания связей между маршрутизаторами неиспользуется;
- надежная защита, так как только администратор устанавливает пути маршрутизации в сети.
Недостатки:
- администратор должен хорошо знать особенности объединенной сети и правильно настроить каждый маршрутизатор;
- когда в объединенную сеть добавляется новая сеть, то администратор должен добавить эту сеть во все маршрутизаторы;
- статическая маршрутизация не применима в крупных сетях вследствие большого объема работы для администратора.
Маршрутизация по умолчанию используется для пересылки пакетов в удаленную сеть назначения, которая не указана в таблице маршрутизации через маршрутизатор следующего участка. Маршрутизация по умолчанию эффективно используется в тупиковых сетях, имеющих только один выходной порт. Например, в схеме IP-маршрутизации на рис. 4 тупиковыми являются маршрутизаторы 2621А и 2501С.
Динамическая маршрутизация – это процесс использования протокола для поиска и обновления таблиц маршрутизации в устройствах связи. Динамическая маршрутизация проще статической, но требует существенных ресурсов процессора маршрутизатора и полосы пропускания сетевых линий связи. Протокол маршрутизации определяет набор правил, используемых маршрутизаторами для взаимодействия с соседними машрутизаторами. Наиболее разработаны и часто используются два протокола маршрутизации: Routing Information Protocol (RIP) и Interior Gateway Routing Protocol (IGRP).
Административное расстояние определяет степень доверия к информации о маршрутизации, полученной маршрутизатором от соседнего устройства. Административное расстояние выражается целым числом от 0 до 255, где 0 означает наибольшее доверие, а 255 – это запрет на передачу трафика по данному пути.
Протоколы маршрутизации
Разработано три класса протоколов маршрутизации: вектор расстояния, состояние связи и гибридный.
Вектор расстояния. Протоколы по вектору расстояния используют для поиска наилучшего пути расстояние до удаленной сети. Каждое перенаправление пакета маршрутизатором называется участком. Наилучшим считается путь к удаленной сети с наименьшим количеством участков. Вектор определяет направление к удаленной сети. Протоколами по вектору расстояния являются протоколы RIP и IGRP.
Состояние связи. Каждый маршрутизатор создает три отдельные таблицы, Одна из них отслеживает непосредственно подключенных соседей, вторая определяет топологию всей объединенной сети и третья является таблицей маршрутизации.