Лекция
Тема: Принципы объединения сетей на основе протоколов сетевого уровня.
Цель.
1. Обучающая. Ввести основные понятия. Освоить методы разработки и способы представления элементов сети.
2. Развивающая. Р азвивать логику, умение анализировать, сравнивать, делать выводы, высказывать свою мысль. Развивать внимание и аналитическое мышление.
3. Воспитательная. Воспитывать интерес к языкам программирования, научным достижениям и открытиям. Воспитывать аккуратность, внимательность и дисциплинированность. Формирование самостоятельности и ответственности при повторении пройденного и изучении нового материала. Воспитывать чувство ответственности за напарника при работе в группе.
Межпредметные связи:
· Обеспечивающие: информатика.
· Обеспечиваемые: базы данных.
Методическое обеспечение и оборудование:
1. Методическая разработка к занятию.
2. Рабочая программа.
3. Инструктаж по технике безопасности.
Технические средства обучения: проэктор, компьютер.
Обеспечение рабочих мест:
· Рабочие тетради.
Ход лекции.
Организационный этап.
Анализ и проверка домашнего задания.
Фронтальный опрос по вопросам.
Решите задачи.
Объединение сетей на основе протоколов сетевого уровня
Для объединения нескольких сетей в единую систему, способную передавать данные между любыми узлами объединенной сети, служит сетевой уровень.
На сетевом уровне вычислительной сетью будем называть совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типов топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.
Компонентами составной сети могут являться как локальные, так и глобальные сети.
Основная идея введения сетевого уровня состоит в том, чтобы оставить технологии, используемые в объединяемых сетях в неизменном в виде, но добавить в кадры всех сетей дополнительную информацию - заголовок сетевого уровня, который позволил бы находить на основании этой информации адресата в сети любого типа. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня тех сетей, которые могут входить в интерсеть.
Внутри сети доставка данных обеспечивается канальным уровнем, а доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень. Он выбирает правильный маршрут передачи, чтобы данные достигли нужной сети. Сети соединяются между собой маршрутизаторами. Сообщения сетевого уровня называют пакетами.
В функции сетевого уровня входит:
−передача пакетов между конечными узлами в составных сетях;
−выбор маршрута передачи пакетов, наилучшего по некоторому критерию;
−согласование разных протоколов канального уровня, использующихся в смежных подсетях.
На сетевом уровне необходима собственная система адресации, не зависящая от способов адресации узлов в отдельных подсетях.
Сетевой адрес формируется как пара: номер сети (подсети) и номера узла.
Основным полем заголовка пакета на сетевом уровне является номер сети – адресата. Благодаря нумерации подсетей сетевой уровень может составлять точную карту межсетевых связей и выбирать рациональные маршруты.
Принципы маршрутизации
Важнейшей задачей сетевого уровня является маршрутизация – организация доставки пакетов по назначению.
Рассмотрим принципы маршрутизации на примере составной сети, изображенной на рис.1.
Маршрутизаторы имеют по несколько портов (не менее двух), 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 номер 1 имеет три порта:
S1, S2, S3 – сети, подключенные к портам;
М1(1), М1(2), М1(3) – сетевые адреса этих портов;
Порт М1(1) имеет локальный адрес в сети S1;
Порт М1(2) имеет локальный адрес в сети S2;
Порт М1(3) имеет локальный адрес в сети S3;
S1, S2, … S5 – номера сетей, соединенных маршрутизаторами.
Рис. 1. Принцип маршрутизация в составной сети
Маршрутизатор можно рассматривать как совокупность нескольких узлов, каждый из которых входит в свою сеть. Как единое устройство маршрутизатор не имеет отдельного сетевого или локального адреса.
Маршрут – это последовательность марщрутизаторов, которые должен пройти пакет. В сложных сетях обычно существует несколько альтернативных маршрутов.
Каждый маршрутизатор выбирает маршрут дальнейшего следования пакета. Для этого он использует таблицу маршрутизации и указанный критерий выбора маршрута.
Табл.1 иллюстрирует пример таблицы маршрутизации для маршрутизатора 4.
Табл. 1. Таблица маршрутизации маршрутизатора 4.
Номер сети | Адрес следующего маршрутизатора | Адрес выходного порта | Расстояние до сети |
S1 | M1(2) | M4(1) | |
S2 | - | M4(1) | 0 (подс.) |
S3 | M1(2) | M4(1) | |
S4 | M2(1) | M4(1) | |
S5 | - | M4(2) | 0 (подс.) |
Умолчание | M5(1) | M4(2) | - |
Описание таблицы маршрутизации по столбцам слева направо:
- номер сети назначения;
- сетевой адрес следующего маршрутизатора (то есть адрес соответствующего порта следующего маршрутизатора), на который следует направить пакет, чтобы тот передавался по направлению к сети с данным номером по рациональному маршруту;
- сетевой адрес выходного порта – на какой из собственных портов маршрутизатор должен направить пакет;
- расстояние до сети назначения – используется, если в таблице маршрутизации есть несколько строк, соответствующих некоторому адресу сети назначения.
Под расстоянием понимается значение, определенное при некоторой метрике и используемое в соответствии с заданным в сетевом пакете критерием. Этот критерий иногда называют классом сервиса. Расстояние может измеряться хопами (скачками), временем прохождения пакета по линиям связи, характеристикой надежности связи на данном маршруте и т. п.
Если марщрутизатор поддерживает несколько классов сервиса пакетов, то таблица маршрутов составляется и применяется отдельно для каждого вида сервиса (критерия).
Если таблица маршрутизации в случае крупной сети имеет слишком большой объем, то для сокращения числа записей в таблице используют специальную запись «маршрутизатор по умолчанию» (default). Маршрутизаторы в этом случае хранят строки для соседних сетей. Обо всех остальных сетях в таблице делают одну запись, указывающую на маршрутизатор, через который пролегает путь ко всем остальным сетям. В нашем примере таким маршрутизатором для четвертого маршрутизатора является маршрутизатор 5 (порт М5(1)).То есть путь ко всем остальным сетям большой сети проходит через этот порт маршрутизатора.
Таблица маршрутизации строят также и для конечных узлов. Особенности таблиц маршрутизации на конечных узлах:
− они аналогичны по структуре таблицам, хранящимся в маршрутизаторах;
− используются для оределения того, направляется ли пакет в другую сеть или он адресован какому-либо узлу данной сети;
− эти таблицы маршрутизации чаще строятся вручную.
Табл. 2 содержит пример таблицы маршрутизации для узла А.
Табл2. Таблица маршрутизации конечного узла А.
Номер сети | Адрес следующего маршрутизатора | Адрес выходного порта | Расстояние до сети |
S4 | - | MA | |
S3 | M3(2) | MA | |
Умолчание | M2(2) | MA | - |
Протоколы и алгоритмы маршрутизации
Цель маршрутизации – доставка пакетов по назначению с максимизацией эффективности. Маршрут выбирается на основании имеющейся у маршрутизаторов информации о конфигурации (топологии) сети, длин очередей в узлах коммутации, интенсивности входных потоков и других факторов, а также на основании заданного критерия выбора маршрута.
Алгоритмы маршрутизации включают процедуры:
− измерение и оценивание параметров сети;
− принятие решения о рассылке служебной информации;
− построение таблиц маршрутизации;
− реализация принятых маршрутных решений.
Таблицы маршрутизации создаются в основном автоматически, но могут корректироваться и дополняться вручную. Для автоматического построения таблиц маршрутизаторы обмениваются информацией о связях в сети. При этом используются специальные служебные протоколы, называемые протоколами маршрутизации. Протоколы маршрутизации помещают свои служебные пакеты в поле данных пакетов сетевого или транспортного уровня, то есть используют соответствующие протоколы для транспортировки своих сообщений. Формально эти протоколы можно отнести к более высокому уровню, чем сетевой.
Объединение подсетей для создания более сложной (неоднородной) сети можно осуществлять и средствами канального уровня. Для этого могут быть использованы некоторые типы мостов и коммутаторов. Однако применение средств канального уровня для создания сложных сетей имеет существенные ограничения и недостатки. В табл. 3. проводится сравнение маршрутизаторов и коммутаторов (мостов) с точки зрения их применения для объединения подсетей.
Табл 3. Сравнение маршрутизаторов и коммутаторов (мостов).
Коммутаторы | Маршрутизаторы |
Локальные таблицы соответствия IP – адресов МАС – адресам (физическим). | Таблицы маршрутизации с номерами сетей. |
Построение таблиц путем пассивного просмотра проходящих кадров. | Обмен служебными пакетами с данными о сетях и маршрутизаторах. |
Учитывается только топология сети. | Учет не только топологии, но и пропускной способности и состояния маршрутизаторов. |
Простое определение нужного порта по таблице (скорость). | Реализация сложных алгоритмов маршрутизации. |
Подвержены широковещательному шторму, проблема с управлением трафиком. | Нет широковещательного шторма, быстрее адаптируются к изменению конфигурации сети, допускают наличие замкнутых контуров в сети. |
Протоколы маршрутизации могут быть построены на основе разных алгоритмов, отличающихся способами построения таблиц маршрутизации, способами выбора наилучшего маршрута и др.
Одношаговые алгоритмы маршрутизации
Каждый маршрутизатор определяет только один шаг маршрута – только следующий (ближайший) маршрутизатор. Окончательный маршрут складывается в результате работы всех маршрутизаторов, через которые проходит данный пакет.
Одношаговые алгоритмы, в зависимости от способа формирования таблиц маршрутизации делятся на три класса:
§ алгоритмы фиксированной (статической) маршрутизации;
§ алгоритмы простой маршрутизации;
§ алгоритмы адаптивной (динамической) маршрутизации.
Алгоритмы фиксированной маршрутизации:
§ все записи в таблице маршрутизации являются статическими;
§ таблица обычно создается при загрузке и используется без изменений, пока ее не отредактируют вручную (если, например, отказал какой-нибудь маршрутизатор);
§ виды таблиц
− одномаршрутные таблицы, в которых для каждого адресата задан один путь;
− многомаршрутные таблицы, определяющие альтернативные пути для каждого адресата. Должно быть задано правило выбора одного из маршрутов;
§ приемлем в небольших сетях с простой топологией или для работы на магистралях крупных сетей (с простой структурой).
В алгоритмах с простой маршрутизацией таблица маршрутизации либо вовсе не используется, либо строится без участия протоколов маршрутизации. Выделяют три типа простой маршрутизации:
− случайная маршрутизация, когда прибывший пакет посылается в случайном направлении, кроме исходного;
− лавинная маршрутизация, когда пакет широковещательно посылается по всем возможным направлениям, кроме исходного;
− маршрутизация по предыдущему мосту, когда маршрут выбирается по таблице, но таблица строится, как у моста, путем анализа адресных полей, поступающих пакетов.
Алгоритмы адаптивной (динамической) являются самыми распространенными и обладают следующими свойствами:
− автоматическое обновление таблиц маршрутизации после изменения конфигурации сети;
− обычно задается интервал времени, в течение которого данный маршрут будет оставаться действительным. Это время называется временем жизни маршрута;
− сбор топологической информации распределен между всеми маршрутизаторами, хотя наметилась тенденция использования сервера маршрутов – протокол NHRP.
− обеспечение достаточно рационального маршрута;
− простые алгоритмы без использования большого объема сетевых ресурсов;
− обладание свойством сходимости – получение однозначного результата за приемлемое время.
Два типа алгоритмов адаптивной маршрутизации:
− дистанционно – векторные алгоритмы;
− алгоритмы состояния связей.
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. Каждый маршрутизатор наращивает расстояния до указанных в векторе сетей на расстояние до данного соседа. В полученный вектор маршрутизатор добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, а затем снова рассылает новое значение вектора по сети. В конце концов, узнает обо всех имеющихся сетях и о расстояниях до них через соседние маршрутизаторы.
Недостатки дистанционно – векторных алгоритмов:
− хорошо работают только в небольших сетях, в больших сетях генерируют интенсивный широковещательный трафик;
− изменения конфигурации могут отрабатываться не всегда корректно, так как маршрутизаторы не владеют точной топологией, а располагают только обобщенной информацией – вектором дистанций.
Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно – векторномалгоритме, является RIP (Routing Internet Protocol).
Алгоритмы состояния связей обеспечивают маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают с одинаковыми графами. Вершинами графа являются как маршрутизаторы, так и объединяемые ими сети, Имеется широковещательный трафик, но только при изменении состояния связей и пакетами меньшего объема, чем для алгоритма RIP. В надежных сетях связи изменяются не часто.Одним из протоколов, основанным на алгоритме состояния связей является протокол OSPF (Open Shortest Path First) стека TCP/IP.
Функции маршрутизатора
Функции маршрутизатора могут быть разбиты на 3 группы в соответствии с уровнями модели OSI (рис. 5.3, с. 358).
Уровень интерфейсов
На нижнем уровне маршрутизатор обеспечивает физические интерфейсы для подсоединения локальных и глобальных сетей. Каждый интерфейс (порт) для подключения локальной сети соответствует определенному протоколу канального уровня (FDDI, Ethernet, Token Ring). Интерфейс с глобальной сетью обычно определяет только некоторый стандарт физического уровня, над которым в маршрутизаторе могут работать различные протоколы канального уровня. Например, с интерфейсом V.35 могут работать протоколы: LAP-B (X.25), LAP-F (frame relay), LAP-D(ISDN).
Кадры после обработки протоколами физического и канального уровней освобождаются от заголовков канального уровня. Пакеты, извлеченные из поля данных кадра, передаются сетевому протоколу.