Сетевой уровень

Вопрос передачи пакета от одного устройства другому устройству в пределах одной сети решается на канальном уровне. Сетевой уровень решает вопросы передачи пакета между различными сетями.

На приведенном рисунке передача данных из 2ой сети в 6ую сеть может быть реализована несколькими путями: через маршрутизаторы М1-М3-М5 или М1-М2-М3-М5 или М1-М2-М3-М4-М5 или М1-М3-М4-М5. Не всегда самый короткий по количеству переходов путь оказывается самым быстрым. Иногда некоторые каналы связи становятся недоступными и маршрут следования пакета изменяется. Независимо от каких-либо причин пакет должен быть доставлен от отправителя к получателю. Именно это и является задачей сетевого уровня.

Основное устройство сетевого уровня – маршрутизатор. Основные протоколы – IP, ICMP, ARP.

Рассмотрим подробнее вопросы передачи пакета между различными сетями.

Маршрутизатор

Маршрутизатор – это коммуникационное оборудование, позволяющее обмениваться данными устройствам из различных сетей.

Маршрутизатор объединяет сети, позволяя передавать данные из одной сети в другую, и, одновременно, разделяет сети, блокируя передачу широковещательных пакетов из одной сети в другую.

Маршрутизатор имеет столько интерфейсов, к скольким сетям он подключен.

Работа маршрутизатора заключается в приеме пакета на один из интерфейсов и принятие решение о дальнейшем пути следования пакета. Широковещательные пакеты не передаются через маршрутизатор. Маршрут пакета, предназначенного конкретному устройству, определяется по IP-адресу получателя в соответствии с правилами таблицы маршрутизации.

IP

IP (Internet Protocol) определяет программно-устанавливаемый IP-адрес устройства, указывая одновременно как на адрес самого устройства, так и на адрес сети данного устройства (подробнее смотри «IP-адресация»). Помимо определения IP-адреса, IP протокол определяет механизм следования пакета между сетями.

Рассмотрим подробнее процесс передачи пакета от одного устройства другому устройству согласно протоколу IP.

Для начала рассмотрим передачу информации в рамках одной сети, например, от ПК1 к ПК3.

• ПК1 с адресом 192.168.2.1. собирается передать пакет на адрес 192.168.2.3 (на рисунке приведен сокращенный формат пакета),

• До начала передачи ПК1 проверяет, находится ли получатель в той же сети, что и сам ПК1; для этого накладывается на адрес получателя своя маска 255.255.255.0 (маска получателя неизвестна).

• Адрес сети получателя 192.168.2.0 совпадает с адресом сети самого ПК1. Следовательно, пакет можно отправлять в сеть с использованием протоколов канального уровня. Но, IP-адрес получателя в 4-ой версии протокола TCP/IP не связан с MAC-адресом. А передача в рамках своей сети производится согласно MAC-адресу сетевой карты получателя. Следовательно, надо получить MAC-адрес получателя.

• Для получения MAC-адреса получателя применяется протокол ARP (Address Resolution Protocol), который входит в стек протоколов TCP/IP, и позволяет получить MAC-адрес по IP-адресу. Для этого ПК1 отправляет в сеть 192.168.2.0 отправляется широковещательный запрос, предназначенный всем устройствам данной сети; IP-адрес данного пакета 192.168.2.255 (во всех хост-битах находятся единицы); MAC-адрес данного пакета FF-FF-FF-FF-FF-FF.

• В запросе, согласно протоколу ARP, содержится требование отозваться тому устройству, которое имеет IP-адрес 192.168.2.3. Согласно протоколу ARP ПК3 отзывается на этот запрос, отправляя пакет со своим MAC-адресом ПК1.

• ПК1 формирует пакет в котором указаны следующие адреса получателя и отправителя:

• Пакет отправляется в сеть посредством протоколов канального уровня (работа сетевой платы), поступает на коммутатор, коммутатор в соответствии со своей адресной таблицей перебрасывает его на порт подключения ПК3. Сетевая плата ПК3 распознает пакет, адресованный ПК3.

• Передача пакета успешно завершена.

Рассмотрим ситуацию, когда пакет передается из одной сети в другую сеть, например, от ПК1 к ПК5.

• ПК1 с адресом 192.168.2.1. собирается передать пакет на адрес 192.168.4.2

• До начала передачи ПК1 проверяет, находится ли получатель в той же сети, что и сам ПК1; для этого на адрес получателя накладывается маска 255.255.255.0.

• Адрес сети получателя 192.168.4.0 не совпадает с адресом сети самого ПК1. Следовательно, пакет не предназначен устройству в сети отправителя.

• При несовпадении сети отправителя и сети получателя пакет, в соответствии с протоколом IP, следует отправить на устройство, которое должно найти маршрут к получателю – на маршрутизатор. Адрес маршрутизатора должен быть указан в настройках каждого устройства сети, которое предполагает возможность обмена данными с устройствами другой сети как «Шлюз по –умолчанию». При отсутствии адреса маршрутизатора обмен информацией с другой сетью невозможен. ПК1 считает ПК5 недоступным. Данные не передаются.

• При наличии в настройках ПК1 адреса шлюза по-умолчанию ПК1 пересылает пакет, предназначенный для ПК5 на маршрутизатор, чтобы маршрутизатор определил дальнейший маршрут следования пакета.

• ПК1 знает IP-адрес маршрутизатора в своей сети, но не знает его MAC-адреса. Аналогично предыдущей ситуации MAC-адрес маршрутизатора определяется при помощи протокола ARP. ПК1 дает широковещательный запрос:

• Интерфейс маршрутизатора 192.168.2.254 отвечает на запрос, посылая ПК1 свой MAC-адрес.

• Формируется пакет, в котором IP-адреса приемника и получателя – адреса ПК1 и ПК5, а MAC-адрес получателя – интерфейс маршрутизатора в сети 192.168.2.0.

• Пакет через коммутатор передается на интерфейс маршрутизатора в сети 192.168.2.0.

• Маршрутизатор принимает пакет (согласно MAC-адресу получателя пакет направлен именно ему). Отбрасывает MAC-адреса и анализирует IP-адреса пакета.

• Основной задаче маршрутизатора является определения маршрута дальнейшего следования пакета. Маршрут пакета определяется на основании IP-приемника. Путь следования определяется с помощью таблицы маршрутизации, которая обязательно есть у каждого маршрутизатора. Таблица маршрутизации содержит информацию, с помощью которой принимает решение, на какой адрес и через какой интерфейс маршрутизатора пакет пойдет далее.

• Маршрутизатор определяет, что пакет должен быть передан в сеть 192.168.4.0 через интерфейс 192.168.4.254.

• Через ARP запрос маршрутизатор определяет MAC-адрес получателя пакета в сети 192.168.4.0, отправляя широковещательный запрос:

• ПК5 отзывается на запрос, сообщая маршрутизатору свой MAC-адрес.

• Заново формируется пакет с новыми MAC-адресами отправителя (теперь это MAC-адрес интерфейса маршрутизатора в сети 192.168.4.0) и MAC-адрес получателя (теперь это адрес ПК5).

• Пакет передается через коммутатор сети 192.168.4.0 и принимается сетевой платой ПК5.

• Передача пакета успешно завершена.

Очень важно увидеть, что в процессе передачи пакета IP-адреса приемника и источника не меняются.

В примере разобран простейший случай, когда пакет должен быть передан из одной сети в другую; сети соединены одним маршрутизатором. В реальной жизни часто путь следования пакета пролегает между десятком маршрутизаторов.

Таблица маршрутизации

Как видно из вышенаписанного маршрутизатор принимает решение о дальнейшем следовании пакета в соответствии с таблицей маршрутизации.

Таблица маршрутизации заполняется либо вручную администратором сети (статическая маршрутизация), либо автоматически с помощью специальных протоколов динамической маршрутизации – RIP2, OSPF, EIGRP.

Таблица маршрутизации содержит записи; каждая запись является правилом следования пакета и имеет следующие поля:

• Адрес назначения – IP-адрес маршрут, к которому описан данным правилом

• Маска – определяет, адрес чего указан – адрес узла (255.255.255.255) или адрес сети (количество единиц в маске меньше 32х)

• Адрес шлюза – адрес устройства, на который надо далее отправить данный пакет

• Интерфейс маршрутизатора – адрес интерфейса маршрутизатора, через который будет отправлен далее пакет

• Метрика – длина маршрута

Исходно маршрутизатор ищет в таблице маршрутизации точное совпадение адреса получателя с записью в таблице (то есть адрес узла).

Адреса узлов нечасто указываются в таблице маршрутизации (если бы маршрутизаторы содержали записи о всех устройствах всех сетей, размер таблицы был бы слишком велик).

При отсутствии адреса узла, ищется адрес сети, в которой находится узел. В достаточно больших сетях таблица маршрутизации каждого маршрутизатора может и не иметь адреса всех сетей.

При отсутствии адреса нужной сети ищется адрес шлюза по умолчанию. Шлюз по умолчанию для маршрутизатора – адрес того маршрутизатора, который должен иметь информации о нужной сети.

При отсутствии адреса шлюза по умолчанию маршрутизатор не может принять решение о дальнейшей передаче пакета. Пакет удаляется. Передача прекращается.

Рассмотрим условный пример объединения сетей. На рисунке сети объединяются при помощи маршрутизаторов. У маршрутизаторов может быть разное количество интерфейсов. Но обязательно для каждой сети маршрутизатор должен иметь интерфейс (IP-адрес в этой сети).

На рисунке в условном виде приведены таблицы маршрутизатора для M6 и M1.

Как видно из рисунка и таблиц, для 6-го маршрутизатора сети S7 и S8 имеют прямое подключение к маршрутизатору. К сети S6 путь лежит через M4; при этом пакеты надо направлять на адрес M4(1) через свой интерфейс M6(1); длина пути – 2 маршрутизатора – M4 и M5. Пути к S5 и S4 также лежат через M4. Только длина маршрута – 3 маршрутизатора - M4, M3 и M2.

К сетям S1, S2 и S3 путь не прописан (это возможно), но доступ к этим сетям возможен: пакеты в эти сети будут отправлены на шлюз по умолчанию – на M4.

Аналогичные таблицы маршрутизации должны присутствовать на каждом маршрутизаторе.

Обратите внимание: при ошибках в таблице маршрутизации пакеты могут быть неправильно направлены и не дойти по получателя. Например, если на маршрутизаторе M4 будет прописан путь в S1 через M6, то пакет, адресованный из седьмой сети в первую, никогда не дойдет по получателя: M6 будет отправлять его M4; M4 будет отправлять его обратно M6.

Описанная ситуация и подобные ей не только не обеспечивают передачу данных между двумя сетями, но и приводят к появлению постоянно накапливающего паразитного трафика. Для купирования подобных ситуаций в пакет встраивает поле TTL (Time-to-Live), время жизни пакета. Это время уменьшается на единицу при прохождении пакета через маршрутизатор. Если TTL достигает значения 0, то пакет удаляется.

Таблица маршрутизации присутствует не только на маршрутизаторах; операционная система персональных компьютеров также создает таблицу маршрутизации на основе IP-адресов интерфейсов данного компьютера.