18. Объединение сетей на основе сетевого уровня. Особенности адресации в глобальных сетях. Основные функции маршрутизаторов.
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.
2. 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.
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 кркпной 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
0
S3
M3(2)
MA
1
Умолчание
M2(2)
MA
-
3. 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.