Общее описание маршрутизаторов OSPF. Динамические протоколы маршрутизации

О чем эта статья

В статье описываются протоколы динамической маршрутизации, использующие для определения оптимальности того или иного маршрута различные алгоритмы – дистанционно-векторный и состояния связи. Приведен пример настройки конфигурации протокола OSPF для пакета Quagga. Описаны особенности демонов маршрутизации routed и gated.

Преимущества и недостатки динамической маршрутизации

Динамическая маршрутизация используется преимущественно в средних и крупных сетях со сложной, часто меняющейся инфраструктурой, где прежде всего важна оперативность отслеживания и устранения проблем связи. Это достигается за счет программного управления таблицами маршрутизации при помощи демонов (в unix-подобных системах для этих целей используются процессы routed и gated). Периодический обмен информацией между маршрутизаторами осуществляется с помощью соответствующих протоколов - на основании полученных данных корректируются записи в таблицах маршрутизации.

Использование протоколов динамической маршрутизации значительно сокращает затраты труда системного администратора по обслуживанию сети. Однако следует принимать во внимание тот факт, что при этом повышается нагрузка на процессоры маршрутизаторов и, как следствие, на сеть в целом. Отчасти данная проблема решается за счет использования динамической балансировки сетевой нагрузки и прописывания статических маршрутов отдельным сегментам сети. Но динамическая маршрутизация обладает и другим серьезным недостатком - возрастает риск DDOS-атак или перехвата сетевого трафика. В данных условиях повышение безопасности сети становится одной из приоритетных задач системного администратора.

Внутри- и междоменные протоколы динамической маршрутизации

По мере разрастания локальной сети вопрос эффективной организации динамической маршрутизации становится более актуальным из-за ограничения объема памяти маршрутизаторов и, как следствия, снижения быстродействия в результате увеличения нагрузки на сеть. Для его решения используется понятие «автономная система» (AS), которое представляет собой совокупность локальных сетей, объединенных единой маршрутной политикой. Протоколы, осуществляющие маршрутизацию внутри автономных систем в пределах домена, - RIP/RIPv2, IS-IS, IGRP, OSPF - входят в соответствующую группу «Interior Routing Protocols». В свою очередь, протоколы, выполняющие функцию организации маршрутизации между AS и являющиеся, своего рода, пограничными, или междоменными, - EGP, BGP - объединяются в группу Exterior Routing Protocols.

RIP (Routing Information Protocol) относится к протоколам дистанционного-векторного типа, использующим узел назначения и число хопов (переходов между транзитными узлами) до него в качестве простейшей метрики маршрутизации. В маршрутные таблицы RIP записывается информация об IP-адресах узла назначения и ближайшего шлюза, а также таймерах маршрута. Каждые 30 секунд маршрутизаторы отправляют широковещательные RIP-сообщения с текущими данными своей маршрутной таблицы, обновляя, таким образом, информацию о сети. В Unix и GNU/Linux поддержку протокола RIP первой версии (RIPv1) осуществляет демон маршрутизации routed.

Одним из недостатков протокола RIP является слабая проработка механизма обнаружения неработающих транзитных узлов, в частности, в самом формате RIP-сообщения не предусмотрено какого-либо флага, который бы фиксировал данное изменение сети. Для выявления проблемы для каждого транзитного узла существует период TTL (Time-to-Live), равный шестикратному периоду рассылки векторов по сети. Маршрут считается недоступным, если по истечении указанного времени он не смог отправить соответствующий RIP-сообщение. На практике обновление маршрутных таблиц подобным образом происходит достаточно медленно и не синхронизировано. Нередко это приводит к появлению маршрутных петель, когда из-за образовавшихся некорректных записей в маршрутных таблицах пакеты начинают циркулировать между узлами вплоть до истечения их собственного TTL.

RIP является одним из старейших протоколов динамической маршрутизации, в силу чего его возможности зачастую уступают более современным аналогам. Он прост в настройке, однако имеет ограничение на число хопов (всего 15). Это делает невозможным его использование в крупных сетях, несмотря на доработку протокола до версии RIPv2, в которой была добавлена поддержка VLSM-адресации (масок подсетей переменной длины), multicast-рассылки и возможность агрегации маршрутов. Тем не менее, RIPv2 может использоваться в малых и средних сетях как альтернатива статической маршрутизации.

Более эффективным способом организации динамической маршрутизации внутри AS является использование протоколов состояния связи (link-state protocols). При этом метрикой маршрутизации служит не узел назначения и его удаленность от источника, а коэффициент качества обслуживания канала ближайших маршрутизаторов, или «соседей». Решение об оптимизации маршрута принимается на основании данных о пропускной способности, периоде задержки, надежности и общей загрузке канала, что позволяет обслуживать средние и крупные сети со сложной инфраструктурой.

К протоколам состояния связи относится OSPF (Open Shortest Part First) , являющийся усовершенствованной версией протокола IS-IS и получивший широкое распространение в TCP/IP-сетях. Помимо стандартной поддержки VLSM-адресации, multicast-рассылки, возможности агрегации маршрутов и использования аутентификации, OSPF учитывает в формате рассылаемых сообщений данные поля TOS (Type-of-Service) для вычисления альтернативных маршрутов согласно текущему состоянию каналов связи. В Unix и Gnu/Linux OSPF входит в список протоколов, поддерживаемых демоном маршрутизации gated и пакетом GNU Zebra 1 или его усовершенствованной версией Quagga 2 .

Каждый маршрутизатор хранит информацию о состоянии соседних транзитных узлов, а также общую базу данных о топологии сети, представленную в виде графа. Актуальность состояния связей между соседними маршрутизаторами поддерживается за счет частого (от 10 до 30 секунд) обмена короткими hello-сообщениями. Информация об изменениях топологии всей сети передается с периодичностью раз в 30 минут отдельными пакетами «router links advertisment». Важной особенностью OSPF является поддержка разделения AS на несколько сегментов сети, каждый из которых имеет выделенный маршрутизатор (DR – Designated Router) и резервный (BDR – Backup Designated Router). Узлы, входящие в отдельный сегмент сети, получают информацию только от DR, который, в свою очередь, обменивается данными с другими выделенными маршрутизаторами. Такой метод позволяет поддерживать актуальность маршрутных таблиц и более эффективно распределять сетевую нагрузку.

При всех своих преимуществах, OSPF обладает некоторыми недостатками. В частности, даже при отсутствии ограничения на количество транзитных узлов в сети, не рекомендуется создавать отдельные сегменты, в которых количество маршрутизаторов превышает 50. В этом случае более эффективным будет равномерное распределение меньшего числа транзитных узлов по разным сегментам.

BGP (Border Gateway protocol) , или BGP4, является на сегодняшний день единственным междоменным протоколом, способным передавать информацию между отдельными AS. Он обеспечивает функционирование сети Интернет, используя для передачи данных маршруты, проходящие через наименьшее число AS. При этом каждые 30 секунд для проверки работоспособности узла происходит широковещательная рассылка TCP-пакетов (KEEPALIVE). Полученная информация добавляется в маршрутные таблицы только после инкрементного обновления. В дальнейшем AS обмениваются текущими изменениями.

Алгоритм работы BGP4 похож на векторно-дистанционный, с той разницей, что вектор пути ориентируется на номер сети и набор атрибутов, позволяющих принимать решение о выборе оптимального маршрута. В их число входят обязательные атрибуты AS_PATH (список AS, через которые должен проходить пакет) и NEXT_HOP (адрес следующего BGP-маршрутизатора), а также дополнительные параметры, отвечающие за агрегацию маршрутов, приоритет AS и маршрутизаторов и т. д.

BGP4 также поддерживает CIDR – бесклассовую маршрутизацию. В Unix и GNU/Linux BGP4, как и OSPF, настраивается при помощи gated или Quagga.

Демоны маршрутизации routed и gated

Routed 3 – стандартный демон маршрутизации, поддерживающий только протокол RIPv1. Он прост в использовании, так как не требует дополнительной настройки и самостоятельно вносит изменения в маршрутную таблицу при обнаружении более оптимальных маршрутов. Тем не менее, он обладает рядом недостатков, в частности, отсутствием поддержки других протоколов, неудобством при одновременном использовании статических и динамических маршрутов. В этом плане предпочтение отдается демону gated 4 , который обладает более широкими возможностями. В число поддерживаемых им протоколов входят RIPv2, OSPF, BGP4 и некоторые другие. Вместе с тем настройка конфигурационного файла /etc/gated.conf, в котором прописываются не только опции самого демона, но и настройки протоколов и маршрутов, и чей синтаксис схож с языками программирования, может показать достаточно сложной тем, кто впервые сталкивается с настройкой маршрутизации при помощи данной утилиты.

Настройка протокола OSPF при помощи Quagga

Пакет Quagga , разработанный как ответвление GNU Zebra, представляет собой набор утилит, предназначенных для настройки протоколов динамической маршрутизации в unix-подобных системах. Он входит в стандартную сборку большинства дистрибутивов, поддерживает все распространенные версии протоколов (OSPFv2, OSPFv3, RIPv1, RIPv2, RIPng, BGP4) и достаточно прост в настройке и использовании. При использовании Quagga под GNU/LInux рекомендуется проверять наличие выставленных параметров ядра CONFIG_NETLINK, CONFIG_RTNETLINK и CONFIG_IP_MULTICAST – они обеспечивают взаимодействие ядра и демона zebra, а также поддержку multicast-рассылки, используемой демонами ripd и osfpd.

В зависимости от задачи, после установки пакета необходимо выставить соответствующие настройки в конфигурационном файле для активации демонов:

# vim /etc/quagga/daemons zebra=yes ospfd=yes

Демоны, активация которые не нужна, по умолчанию выставлены с параметром no. Zebra активируется всегда, так как является управляющим и отвечает за внесение изменений в маршрутную таблицу ядра, а также координирует работу остальных демонов.

Для каждой установленной службы существует возможность редактирования конфигурационных файлов через отдельный интерфейс vty, подключение к которому реализуется при помощи telnet. Для этого автоматически выделяется номер порта, информацию о котором необходимо добавить в /etc/services:

zebra 2601/tcp # zebra vty ospfd 2604/tcp # ospfd vty

Для настройки демонов создается одноименный файл в /etc/quagga/ вида *.conf, при этом его владельцем должен быть пользователь quagga.

Запуск демонов осуществляется при помощи следующих команд:

# /usr/sbin/zebra –dk # запуск демона с сохранением уже сконфигурированных маршрутов # /usr/sbin/ospfd –d

Автономная система состоит из нескольких подсетей, объединенных тремя маршрутизаторами, которые также образуют отдельную подсеть (см. рис. 1) 5 . Один из маршрутизаторов является шлюзом по умолчанию для доступа в Интернет. Необходимо настроить динамическую маршрутизацию по протоколу OSPF между подсетями 192.168.10.0/24 и 192.168.12.0/24.

Для настройки OSPF необходимо установить пакет Quagga на каждом маршрутизаторе, а также отредактировать файл zebra.conf:

# vim /etc/quagga/zebra.conf !Имя хоста hostname Router1 !пароль для доступа в vty-интерфейс password zebra !пароль для административного доступа и настройки enable password zebra !путь к лог-файлу log file /var/log/quagga/zebra.log !интерфейс в подсеть 192.168.0.0/24 interface eth0 ip address 192.168.0.1./24 !шлюз в Интернет по умолчанию interface eth1 ip route 0.0.0.0./0 213.190.94.6 hostname Router2 password zebra enable password zebra log file /var/log/quagga/zebra.log interface eth0 ip address 192.168.0.2./24 interface eth1 ip address 192.168.12.1./24 hostname Router3 password zebra enable password zebra log file /var/log/quagga/zebra.log interface eth0 ip address 192.168.0.3./24 interface eth1 ip address 192.168.10.1./24

Таким же образом настраиваются конфигурационные файлы ospfd.conf:

# vim /etc/quagga/ospfd.conf hostname Router1 password zebra enable password zebra router ospf ospf router-id 192.168.0.1 #ID роутера network 192.168.0.0/24 area 0 #указание на подсеть и номер области, #которой она принадлежит default-information originate #анонсирование маршрута по умолчанию #происходит с данного шлюза log file /var/log/quagga/ospfd.log hostname Router2 password zebra enable password zebra router ospf ospf router-id 192.168.0.2 network 192.168.0.0/24 area 0 network 192.168.12.0/24 area 1 redistribute connected #все сети, подключенные к данным #интерфейсам, необходимо анонсировать #по ospf log file /var/log/quagga/ospfd.log hostname Router3 password zebra enable password zebra router ospf ospf router-id 192.168.0.3 network 192.168.0.0/24 area 0 network 192.168.10.0/24 area 2 redistribute connected log file /var/log/quagga/ospfd.log

После того как настройка закончена, необходимо запустить демоны и подключиться через telnet к tvy-интерфейсу ospfd:

# /usr/sbin/zebra –dk # /usr/sbin/ospfd –d # telnet localhost ospfd

Проверить работоспособность протокола можно, запустив в консоли Quagga команду show ip ospf neighbor, которая выводит список активных «соседних» маршрутизаторов. Команда show ip ospf route выводит список маршрутов, которые были получены по протоколу OSPF.

Средства мониторинга и анализа сети с динамической маршрутизацией

В большинстве случаев стандартные утилиты, при помощи которых конфигурируются протоколы динамической маршрутизации, уже содержат встроенные средства для ее мониторинга и анализа. Так, команда ospf_monitor, используемая в gated, позволяет увидеть подробную статистику по сконфигурированным маршрутным таблицам OSPF, а также информацию о соседних маршрутизаторах. Кроме того, поддержка логирования как в gated, так и в Quagga, позволяет системному администратору при создании соответствующего скрипта перенаправлять сообщения о критических ошибках на e-mail или другое средство оповещения.

Заключение

Использование динамической маршрутизации уместно в средних и крупных сетях с разветвленной и неоднородной топологией. Определенную поддержку здесь оказывают стандартные демоны либо специально разработанные утилиты, при помощи которых возможно создавать достаточно сложные конфигурации маршрутов. При этом в зависимости от поставленной задачи необходимо учитывать преимущества и недостатки каждого из протоколов динамической маршрутизации, выбранных для наиболее оптимального решения.

Маршрутизаторы функционируют в сетях с коммутацией пакетов, где все возможные маршруты уже существуют. Процесс прокладывания пути производится либо вручную администратором (статическая маршрутизация ), либо автоматически маршрутизирующим протоколом (динамическая маршрутизация) .

Маршрутизаторы, зная информацию о пути к некоторым сетям, обмениваются этой информацией с другими устройствами. После таких обновлений все маршрутизаторы будут иметь согласованную информацию о маршрутах к доступным сетям. Процесс обмена обновлениями реализуют протоколы маршрутизации. Таким образом, протоколы маршрутизации разделяют сетевую информацию между маршрутизаторами .

При изменениях в топологии требуется некоторое время (время сходимости или конвергенции ) для согласования информации в таблицах маршрутизации всех маршрутизаторов сети. Время сходимости является важным фактором при выборе протокола маршрутизации.

Маршрутная информация собирается по определенным правилам в ходе реализации алгоритма динамического обмена обновлениями ( update , модификациями) между маршрутизаторами. Протокол маршрутизации должен создавать и поддерживать таблицы маршрутизации , где хранятся пути ко всем доступным сетям назначения, а также извещать другие маршрутизаторы о всех известных ему изменениях в топологии сети, т.е. решать задачу обнаружения сетей .

Совокупность сетей, представленных маршрутизаторами под общим административным управлением, образует автономную систему ( рис. 3.1). Примерами автономных систем являются сети отдельных провайдеров ISP . Автономные системы нумеруются (AS1, AS2, …AS107, …) и в некоторых протоколах ( IGRP , EIGRP ) эти номера используются при конфигурировании.

Рис. 3.1.

В настоящем курсе рассматривается маршрутизация только внутри автономной системы, где работают протоколы внутренней маршрутизации (Interior Gateway Protocols - IGP ), к которым относятся RIP , RIPv2, EIGRP , OSPF , IS-IS . Маршрутизацию между автономными системами производят протоколы внешней маршрутизации ( Exterior Gateway Protocols - EGP ). Примером протокола внешней маршрутизации является протокол BGP , который работает на пограничных маршрутизаторах автономных систем ( рис. 3.1).

Совокупность протоколов маршрутизации приведена в табл. 3.1 , из которой следует, что протоколы динамической маршрутизации, работающие внутри автономных систем, в свою очередь , подразделяются на протоколы вектора расстояния (distance-vector) и протоколы состояния канала (link-state) .

Протоколы вектора расстояния определяют расстояние и направление, т.е. вектор соединения в составной сети на пути к адресату. При использовании протокола вектора расстояния маршрутизаторы посылают всю или часть таблицы маршрутизации соседним (смежным) маршрутизаторам. В таких протоколах как RIP и RIP-2 расстояние выражается в количестве переходов (hop count) в соединении на пути от узла источника к адресату назначения. Обмен обновлениями ( update ) или модификациями происходит периодически , даже если в сети нет никаких изменений, на что тратится значительная часть полосы пропускания. Получив обновление маршрутной информации, маршрутизатор может заново вычислить все известные пути и модернизировать таблицу маршрутизации.

Протоколы состояния канала создают полную картину топологии сети и вычисляют кратчайшие пути ко всем сетям назначения. Если путей с одинаковой метрикой несколько, то выбирается первый из вычисленных. Рассылка обновлений маршрутной информации производится только при изменениях топологии сети . Протоколы состояния канала (или соединения) быстрее реагируют на изменения в сети по сравнению с протоколами вектора расстояния, но при этом требуют больших вычислительных ресурсов.

Когда инкапсулированный в кадр пакет прибывает на входной интерфейс , маршрутизатор декапсулирует его, затем использует таблицу маршрутизации, чтобы определить, по какому маршруту направить пакет, т.е. на какой свой выходной интерфейс передать поступивший пакет . Выходной интерфейс связан с наиболее рациональным маршрутом к адресату назначения. Этот процесс называется коммутацией или продвижением пакета. На выходном интерфейсе пакет инкапсулируется в новый кадр , при этом маршрутизатор добавляет информацию для формирования кадра (см. материалы "Принципы и средства межсетевого взаимодействия").

Маршрутизаторы способны одновременно поддерживать несколько независимых протоколов с разными административными расстояниями (AD) , которые показывают степень достоверности источника маршрута. Чем меньше AD , тем выше достоверность (см. табл. 1.1). В таблицу маршрутизации устанавливаются маршруты, созданные протоколами с наименьшим административным расстоянием.

Определение протоколом маршрутизации наиболее рационального (оптимального) пути производится на основе определенного критерия - метрики . Значение метрики используется при оценке возможных путей к адресату назначения. В настоящем курсе рассматриваются следующие протоколы маршрутизации:

Перечисленные протоколы используют разные параметры метрики.

Различные протоколы маршрутизации используют разные алгоритмы при выборе маршрута, т.е. выходного интерфейса и (или) адреса следующего перехода, на который должен быть передан пакет. Алгоритм и метрика определяются целым рядом решаемых задач, таких как простота, устойчивость , гибкость, быстрая сходимость или конвергенция . Сходимость - это процесс согласования между маршрутизаторами сети информации о доступных маршрутах. При изменениях состояния сети необходимо, чтобы обмен модификациями восстановил согласованную сетевую информацию.

Каждый алгоритм по своему интерпретирует выбор наиболее рационального пути на основе метрики . Обычно меньшее значение метрики соответствует лучшему маршруту . Метрика может базироваться на одном или на нескольких параметрах пути. В протоколах маршрутизации наиболее часто используются следующие параметры метрики:

(Load)

Полоса пропускания (Bandwidth)	-	способность соединения передавать данные с некоторой скоростью. Например, соединения сети FastEthernet передающие данные со скоростью 100 Мбит/c, предпочтительней каналов Е1 со скоростью 2,048 Мбит/c.
Задержка (Delay)	-	это длительность времени прохождения пакета от источника до адресата назначения. Задержка зависит от количества промежуточных соединений и их типов, объема буферных устройств маршрутизаторов, сходимости сети и расстояния между узлами.
-	определяется количеством информации, загружающей сетевые ресурсы (маршрутизаторы и каналы). Чем больше загрузка, тем больше очереди на обслуживание, тем дольше пакет будет в пути.
Надежность (Reliability)	-	определяется интенсивностью ошибок на каждом сетевом соединении.
Количество переходов (Hop count)	-	это количество маршрутизаторов, через которые пакет должен пройти на пути к адресату назначения (число переходов от маршрутизатора к маршрутизатору).
Стоимость (Cost)	-	обобщенный параметр затрат на передачу пакета к адресату назначения. Иногда стоимость имеет произвольное значение, назначенное администратором.

Наиболее известным в сети Internet протоколом вектора расстояния (distance-vector) является Routing Information Protocol (RIP) , который использует в качестве метрики число переходов ( hop count ) на пути к адресату назначения.

Другим простым протоколом вектора расстояния является Interior Gateway Routing Protocol (IGRP ), который был разработан в корпорации Cisco. Для работы в больших сетях на смену ему пришел протокол Enhanced IGRP (EIGRP) , который включает много особенностей протоколов как типа link-state, так и distance-vector. Поэтому он, по сути, является гибридным протоколом. Однако разработчики фирмы Cisco относят его к протоколам distance-vector.

Протоколы вектора расстояния (RIP, IGRP) периодически рассылают обновления маршрутной информации. У протокола RIP этот период равен 30 сек. При этом обновляются таблицы маршрутизации, которые хранят всю информацию о маршрутах в сети. При изменении в сети маршрутизатор , обнаруживший такое изменение, сразу начинает обмен маршрутной информацией с соседними маршрутизаторами. Этот обмен идет последовательно от маршрутизатора к маршрутизатору с некоторой задержкой, определяемой временем модификации таблиц в каждом маршрутизаторе, а также специальным таймером. Поэтому сходимость (конвергенция) сети, когда все маршрутизаторы будут иметь согласованную информацию о сетевых соединениях, происходит медленно , что является недостатком протоколов вектора расстояния.

Таким образом, протоколы вектора расстоянияRIP характеризуются медленной сходимостью , т.е. длительным временем согласования информации в таблицах маршрутизации при изменениях топологии сети.

Протокол вектора расстояния RIP использует счетчик переходов ( hop count ) в качестве метрики, чтобы определить расстояние до определенного соединения в составной сети. Если существует несколько путей, то RIP выберет путь с наименьшим числом маршрутизаторов или переходов к адресату назначения. Однако выбранный маршрут не всегда является лучшим путем к адресату, поскольку выбранный маршрут с наименьшим числом устройств может характеризоваться меньшей скоростью передачи (более узкой полосой пропускания, меньшей пропускной способностью) по сравнению с альтернативными маршрутами, созданными другими протоколами. Кроме того, RIP не может направлять пакеты далее 15 переходов, поэтому он рекомендован для работы в малых и средних сетях. Рассылка обновлений протоколом первой версии RIPv1 производится в широковещательном режиме ( адрес 255.255.255.255 ).

Протокол первой версии RIPv1 требует, чтобы все устройства в подсети использовали одинаковую маску подсети, т.к. RIP не включает информацию о маске подсети в обновления маршрутизации. Такой метод получил название маршрутизации на основе классов (classful routing) , что ограничивает применение протокола RIPv1 в современных сетях.

Протокол вектора расстояния второй версии RIPVersion 2 (RIPv2 ) обеспечивает бесклассовую маршрутизацию CIDR (Classless Interdomain Routing ), поскольку в обновления маршрутизации включена информация о маске подсети (о префиксе). При этом внутри одной сети могут существовать подсети с масками переменной длины (Variable-Length Subnet Mask - VLSM ). В обновления также включена адресная информация о шлюзах по умолчанию. Рассылка обновлений протоколом версии RIPv2 производится в многоадресном режиме (

Динамическая маршрутизация

Статическая маршрутизация не подходит для больших, сложных сетей потому, что обычно сети включают избыточные связи, многие протоколы и смешанные топологии. Маршрутизаторы в сложных сетях должны быстро адаптироваться к изменениям топологии и выбирать лучший маршрут из многих кандидатов.

IP сети имеют иерархическую структуру. С точки зрения маршрутизации сеть рассматривается как совокупность автономных систем. В автономных подсистемах больших сетей для маршрутизации на остальные автономные системы широко используются маршруты по умолчанию.

Динамическая маршрутизация может быть осуществлена с использованием одного и более протоколов. Эти протоколы часто группируются согласно того, где они используются. Протоколы для работы внутри автономных систем называют внутренними протоколами шлюзов (interior gateway protocols (IGP)), а протоколы для работы между автономными системами называют внешними протоколами шлюзов (exterior gateway protocols (EGP)). К протоколам IGP относятся RIP, RIP v2, IGRP, EIGRP, OSPF и IS-IS. Протоколы EGP3 и BGP4 относятся к EGP. Все эти протоколы могут быть разделены на два класса: дистанционно-векторные протоколы и протоколы состояния связи.

Маршрутизаторы используют метрики для оценки или измерения маршрутов. Когда от маршрутизатора к сети назначения существует много маршрутов, и все они используют один протокол маршрутизации, то маршрут с наименьшей метрикой рассматривается как лучший. Если используются разные протоколы маршрутизации, то для выбора маршрута используется административные расстояния, которые назначаются маршрутам операционной системой маршрутизатора.

RIP использует в качестве метрики количество переходов (хопов). EIGRP использует сложную комбинацию факторов, включающую полосу пропускания канала и его надёжность.

Результаты работы маршрутизирующих протоколов заносятся в таблицу маршрутов, которая постоянно изменяется при смене ситуации в сети. Рассмотрим типичную строку в таблице маршрутов, относящуюся к динамической маршрутизации

R 192.168.14.0/24 via 10.3.0.1 00:00:06 Serial0

Здесь R определяет протокол маршрутизации. Так R означает RIP, а O – OSPF и т. д. Запись означает, этот маршрут имеет административное расстояние 120 и метрику 3. Эти числа маршрутизатор использует для выбора маршрута. Элемент 00:00:06 определяет время, когда обновилась данная строка. Serial0 это локальный интерфейс, через который маршрутизатор будет направлять пакеты к сети 192.168.14.0/24 через адрес 10.3.0.1.

Для того чтобы динамические протоколы маршрутизации обменивались информацией о статических маршрутах, следует осуществлять дополнительное конфигурирование.

Дистанционно-векторная маршрутизация

Эта маршрутизация базируется на алгоритме Белмана-Форда. Через определённые моменты времени маршрутизатор передаёт соседним маршрутизаторам всю свою таблицу маршрутизации. Такие простые протоколы как RIP и IGRP просто распространяют информацию о таблицах маршрутов через все интерфейсы маршрутизатора в широковещательном режиме без уточнения точного адреса конкретного соседнего маршрутизатора.

Соседний маршрутизатор, получая широковещание, сравнивает информацию со своей текущей таблицей маршрутов. В неё добавляются маршруты к новым сетям или маршруты к известным сетям с лучшей метрикой. Происходит удаление несуществующих маршрутов. Маршрутизатор добавляет свои собственные значения к метрикам полученных маршрутов. Новая таблица маршрутизации снова распространяется по соседним маршрутизаторам (см. рис.1).

font-size:12.0pt;line-height:125%">Рис.1. Дистанционно-векторная маршрутизация.

Протоколы состояния связи

Эти протоколы предлагают лучшую масштабируемость и сходимость по сравнению с дистанционно-векторными протоколами. Протокол базируется на алгоритме Дейкстры, который часто называют алгоритмом «кратчайший путь – первым» (shortest path first (SPF)). Наиболее типичным представителем является протокол OSPF (Open Shortest Path First).

Маршрутизатор берёт в рассмотрение состояние связи интерфейсов других маршрутизаторов в сети. Маршрутизатор строит полную базу данных всех состояний связи в своей области, то есть имеет достаточно информации для создания своего отображения сети. Каждый маршрутизатор затем самостоятельно выполняет SPF-алгоритм на своём собственном отображении сети или базе данных состояний связи для определения лучшего пути, который заносится в таблицу маршрутов. Эти пути к другим сетям формируют дерево с вершиной в виде локального маршрутизатора.

Маршрутизаторы извещают о состоянии своих связей всем маршрутизаторам в области. Такое извещение называют LSA (link-state advertisements).

В отличие от дистанционно-векторных маршрутизаторов, маршрутизаторы состояния связи могут формировать специальные отношения со своими соседями.

Имеет место начальный наплыв LSA пакетов для построения базы данных состояний связи. Далее обновление маршрутов производится только при смене состояний связи или, если состояние не изменилось в течение определённого интервала времени. Если состояние связи изменилось, то частичное обновление пересылается немедленно. Оно содержит только состояния связей, которые изменились, а не всю таблицу маршрутов.

Администратор, заботящийся об использовании линий связи, находит эти частичные и редкие обновления эффективной альтернативой дистанционно-векторной маршрутизации, которая передаёт всю таблицу маршрутов через регулярные промежутки времени.

Протоколы состояния связи имеют более быструю сходимость и лучшее использование полосы пропускания по сравнению с дистанционно-векторными протоколами. Они превосходят дистанционно-векторные протоколы для сетей любых размеров, однако имеют два главных недостатка: повышенные требования к вычислительной мощности маршрутизаторов и сложное администрирование.

Сходимость.

Этот процесс одновременно и совместный , и индивидуальный. Маршрутизаторы разделяют между собой информацию, но самостоятельно пересчитывают свои таблицы маршрутизации. Для того чтобы индивидуальные таблицы маршрутизации были точными, все маршрутизаторы должны иметь одинаковое представление о топологии сети. Если маршрутизаторы договорились о топологии сети, то имеет место их сходимость. Быстрая сходимость означает быстрое восстановление после обрыва связей и других изменений в сети. О протоколах маршрутизации и о качестве проектирования сети судят главным образом по сходимости.

Когда маршрутизаторы находятся в процессе сходимости, сеть восприимчива к проблемам маршрутизации. Если некоторые маршрутизаторы определили, что некоторая связь отсутствует, то другие ошибочно считают эту связь присутствующей. Если это случится, то отдельная таблица маршрутов будет противоречива, что может привести к отбрасыванию пакетов и петлям маршрутизации.

Невозможно, чтобы все маршрутизаторы в сети одновременно обнаружили изменения в топологии. В зависимости от использованного протокола, может пройти много времени пока все процессы маршрутизации в сети сойдутся. На это влияют следующие факторы:

Расстояние в хопах до точки изменения топологии.

Число маршрутизаторов, использующих динамические протоколы.

Эффект некоторых факторов может быть уменьшен при тщательном проектировании сети.

Статическая маршрутизация, альтернатива динамической - это процесс, в котором администратор системной сети вручную настраивал сетевые маршрутизаторы со всей информацией, необходимой для успешной пересылки пакетов. Администратор создает в каждом устройстве, помещая записи для каждой сети, которая может быть назначением. Статические пути передачи данных для сетевых маршрутов неизменяемы.

Определение

Статический способ — это управляемый сетевым администратором метод сетевой маршрутизации, который заключается в ручной настройке и выборе сетевого маршрута. Используется в сценариях, где сетевые параметры и среда должны оставаться постоянными.

Маршрутизация является одной из наиболее важных процедур передачи данных. Это гарантирует, что данные перемещаются из одной сети в другую с оптимальной скоростью и минимальной задержкой, и что ее целостность сохраняется в этом процессе.

В широком смысле маршрутизация выполняется двумя разными способами:

Динамическая — периодически обновляет свою таблицу маршрутизации путями и их стоимостью/метрикой, принимая оптимальные решения на основе изменения сетевых рабочих условий.
Статическая — считается простейшей формой этого процесса, выполняет правила маршрутизации с предварительно настроенными путями передачи данных в таблице, которые могут быть изменены вручную только администраторами.

Статические маршруты обычно используются в тех ситуациях, когда выбор ограничен или существует только один доступный по умолчанию путь. Кроме того, статическая методика может использоваться, если есть лишь несколько устройств для настройки маршрута, и в будущем не возникнет необходимость его менять.

Разновидности маршрутизации

Устройство может использовать три пути для изучения маршрутов:

Статическая маршрутизация — это метод, с помощью которого администратор вручную добавляет пути передачи информации в электронную таблицу/базу данных.

Маршрутизация по умолчанию — это методика, где все маршрутизаторы настроены на отправку всех пакетов по одному пути. Это очень полезный метод для небольших сетей или для сетей с единой точкой входа и выхода. Он обычно используется в дополнение к статическому и динамическому способам.

Динамическая методика — это способ, при котором протоколы и алгоритмы используются для автоматического распространения информации о маршрутизации. Это наиболее распространенный и самый сложный метод.

Классификация протоколов

Протоколы маршрутизации классифицируются как протоколы внутренних шлюзов (IGP) или внешние шлюзовые протоколы (EGP). IGP используются для обмена информацией о процессе в межсетевых сетях, которые попадают под единый административный домен (также называемый автономными системами). EGP используются для обмена информацией между различными автономными системами. Обычными примерами IGP являются протокол маршрутизации (RIP), расширенный протокол внутренних шлюзов (EIGRP) и Open Shortest Path First (OSPF).

Протокол маршрутизации использует программное обеспечение и алгоритмы для определения оптимальной передачи сетевых данных и путей связи между сетевыми узлами. Также известен как политика маршрутизации. Они существенно облегчают взаимодействие маршрутизаторов, а также общую топологию сети.

В большинстве (IP) используются следующие протоколы маршрутизации:

Протокол маршрутизации (RIP) и протокол маршрутизации внутренних шлюзов (IGRP): обеспечивают процесс для внутренних шлюзов через протоколы маршрутных или дистанционных векторов. RIP используется для определения кратчайшего пути от источника к месту назначения. Это позволяет передавать данные на высокой скорости в кратчайшие сроки.

Open Shortest Path First (OSPF): обеспечивает процесс для внутренних шлюзов через протоколы маршрутизации состояния канала.

Протокол пограничного шлюза (BGP) v4: предоставляет общедоступный протокол маршрутизации через внешнее взаимодействие со шлюзом.

Как настроить статическую маршрутизацию Cisco

Чтобы настроить статический маршрут, устройство должно находиться в режиме глобальной конфигурации.

Код для командной строки: ip route prefix mask{адрес|интерфейс}[расстояние]. Разъясним основные составляющие кода:

сеть — целевая сеть;

mask — маска подсети для этой сети;

адрес — IP-адрес маршрутизатора следующего перехода;

интерфейс — интерфейс оборудования исходящего трафика;

расстояние — административное расстояние маршрута.

Административное расстояние используется для применения своего рода приоритизации на статических маршрутах, так что разные пути к данному месту назначения будут следовать определенной схеме активации. Административное расстояние представляет собой целое число от 0 до 255, где 0 указывает путь первого приоритета, а 255 означает, что трафик не может проходить через этот маршрут. По умолчанию административное расстояние непосредственно подключенных интерфейсов равно 0, а для статических маршрутов 1.

Пример статической маршрутизации:

ip route 10.0.0.0 255.0.0.0 131.108.3.4 110, где 10.0.0.0 — целевая сеть, 255.0.0.0 — маска подсети, а 131.108.3.4 — следующий скачок для используемого маршрутизатора, 110 — административная дистанция.

Пример создания статического маршрута

В качестве примера того, когда требуется статический маршрут, рассмотрим следующий случай:

Ваш основной доступ в интернет осуществляется через кабельный модем для интернет-провайдера.

У вас есть маршрутизатор ISDN в вашей домашней сети для подключения к компании, в которой вы работаете. Адрес этого устройства в вашей локальной сети 192.168.1.100.

Сетевой адрес вашей компании 134.177.0.0.

При настройке статической маршрутизации cisco создаются два неявных статических маршрута.

Путь передачи данных по умолчанию был создан с вашим провайдером в качестве шлюза, а второй статический маршрут создается в локальной сети для всех адресов 192.168.1.x. В этой конфигурации при попытке доступа к устройству в сети 134.177.0.0 маршрутизатор перенаправляет запрос поставщику услуг интернета.

В этом случае необходимо определить статический маршрут, указав прибору, что 134.177.0.0 должен быть доступен через маршрутизатор ISDN по адресу 192.168.1.100.

Статические и динамические маршрутизаторы

Для эффективной работы в межсетевой сети маршрутизаторы должны иметь информацию о других идентификаторах или настраиваться с использованием пути по умолчанию. В больших сетях таблицы маршрутизации должны поддерживаться так, чтобы трафик всегда перемещался по оптимальным путям следования. От того, как поддерживаются электронные таблицы, определяется различие между статической и динамической маршрутизациями.

Статическая маршрутизация

Устройство с вручную настроенными таблицами маршрутизации пользователям известно как статическое. Сетевой администратор, владеющий топологией межсетевой сети, вручную создает и обновляет таблицу путей следования информации, программируя все маршруты. Статические маршрутизаторы могут хорошо работать для небольших межсетевых сетей, но не масштабируются для больших или динамически изменяющихся межсетевых сетей из-за их ручного администрирования.

Хорошим примером статического устройства является многосетевой компьютер под управлением Windows 2000 (компьютер с несколькими сетевыми интерфейсами). Создание статической маршрутизации в Windows 2000 так же просто, как установка нескольких карт сетевого интерфейса, настройка TCP/IP и включение IP-маршрутизации.

Динамическая маршрутизация

Прибор с динамически настроенными таблицами известен как динамический. Динамическая маршрутизация состоит из таблиц, которые создаются и поддерживаются автоматически через постоянную связь между устройствами. Это сообщение облегчается протоколом маршрутизации, серией периодических или по требованию сообщений, содержащих информацию, которой обмениваются маршрутизаторы. Динамические устройства, за исключением их первоначальной конфигурации, требуют незначительного постоянного обслуживания и могут масштабироваться до более крупных межсетевых сетей.

Динамическая маршрутизация является отказоустойчивой. Динамические пути передачи данных, полученные от других устройств, имеют ограниченный срок службы.
Возможность масштабирования и восстановления от межсетевых ошибок делает этот способ лучшим выбором для средних и больших межсетевых сетей.

Динамическая методика — это обеспечивающий оптимальную маршрутизацию данных. В отличие от статической, динамическая позволяет маршрутизаторам выбирать пути в соответствии с изменениями логической сети в режиме реального времени. В динамическом процессе протокол, работающий на устройстве, отвечает за создание, обслуживание и обновление электронной таблицы данных. В статической маршрутизации все эти задания выполняются администратором системы вручную.

Динамическая методика использует множество различных алгоритмов и протоколов. Наиболее популярными являются протокол маршрутизации (RIP) и Open Shortest Path First (OSPF).

Стоимость маршрутизации является критическим фактором для всех организаций. Наименее дорогостоящая технология этого процесса обеспечивается динамической методикой, которая автоматизирует изменения таблиц и обеспечивает наилучшие пути для стабильной передачи данных.

Операции протокола динамической маршрутизации можно объяснить следующим образом:

Маршрутизатор предоставляет и получает сообщения на интерфейсах устройства.
Получаемые сообщения и информация используются совместно другими приборами, которые используют точно такой же протокол.

Маршрутизаторы меняют информацию о маршрутизации для обнаружения данных об удаленных сетях. Всякий раз, когда устройство находит изменение в топологии, протокол маршрутизации вносит изменение топологии на других приборах.

Динамическая маршрутизация легко настраивается в больших сетях и более интуитивно понятна при выборе наилучшего пути передачи информации, определении изменений и обнаружении удаленных сетей. Однако, поскольку маршрутизаторы обмениваются обновлениями, они потребляют больше полосы пропускания, чем в статической методике. Процессоры и операционная система оборудования могут также столкнуться с дополнительными нагрузками в результате более сложной работы протоколов. Динамическая маршрутизация менее безопасна, чем статическая.

Сравнительный анализ

Статическая маршрутизация cisco не является протоколом маршрутизации. Это просто процесс ручного ввода маршрутов в электронную таблицу данных устройства через файл конфигурации, который загружается при запуске устройства. В качестве альтернативы эти пути передачи данных могут быть введены администратором сети, который настраивает их вручную. Поскольку эти настроенные вручную маршруты не изменяются после их настройки, они называются статическими.

Статическая методика — это простейшая форма маршрутизации, но это кропотливый ручной процесс. Используйте данный метод, когда у вас очень мало устройств для настройки (менее 5), и вы уверены, что пути передачи информации, вероятно, никогда не изменятся.

Статическая маршрутизация cisco packet tracer также не обрабатывает случайные сбои во внешних сетях, потому что любой маршрут, который настроен вручную, должен быть обновлен или перенастроен вручную, чтобы исправить или восстановить потерянные соединения.

Протоколы динамической маршрутизации поддерживаются программными приложениями, запущенными на принимающем/передающем устройстве (маршрутизаторе).

Устройство, использующее динамическую методику, распознает маршруты для всех сетей, которые напрямую к нему подключены. Затем маршрутизатор изучает данные других приборов, которые выполняют один и тот же протокол (RIP, RIP2, EIGRP, OSPF, IS-IS, BGP). Затем каждый маршрутизатор сортирует список маршрутов и выбирает один или несколько оптимальных путей для каждого сетевого адресата.

Затем протоколы динамической маршрутизации распространяют полученные данные на другие устройства, работающие с одним протоколом, тем самым расширяя информацию о том, какие сети существуют и могут быть достигнуты. Это дает динамическим протоколам возможность адаптироваться к изменениям логической топологии сети или сбоям роутера статической маршрутизации.

Плюсы и минусы

Статическая маршрутизация имеет следующие преимущества:

Никакой дополнительной обработки и дополнительных ресурсов, как в случае динамических протоколов маршрутизации.

Отсутствие дополнительных требований к пропускной способности, вызванных передачей чрезмерных пакетов для процесса обновления таблицы маршрутизации.

Дополнительная безопасность обуславливается путем ручного ввода или отклонения путей передачи информации в определенные сети.

Настройка статической маршрутизации более безопасна.

Для использования статических маршрутов нет накладных расходов. С динамическими пропускная способность сети используется для связи доступных сетей между маршрутизаторами. При использовании статических маршрутов, поскольку сетевой администратор кодирует данные, устройствам не нужно передавать информацию о маршрутизации.

Статическую маршрутизацию проще настроить для небольшой сети. Предположим, что у вас есть только два устройства и необходимо настроить сообщение между ними. Для этого потребуется настроить только два оператора маршрута — по одному на каждом маршрутизаторе. С динамическим протоколом, таким как RIP, например, пришлось бы вводить два сетевых оператора на каждом приборе.

Статические маршруты не требуют каких-либо существенных ресурсов маршрутизатора. Протокол динамической маршрутизации, такой как OSPF, может потребовать значительных ресурсов для расчета кратчайшего пути по сети при наличии большого количества подключенных устройств.

К недостаткам относятся следующие:

Сетевые администраторы должны хорошо знать всю чтобы правильно настроить пути передачи данных.

Изменения топологии требуют ручной настройки статической маршрутизации cisco packet tracer для всех устройств, что очень трудоемко.

Статические маршруты не масштабируются по мере роста сети. Это связано с тем, что все они настраиваются администратором вручную.

При динамической методике ручное вмешательство отсутствует, и трафик маршрутизируется автоматически всякий раз, когда в сети происходит отключение. Также он достаточно масштабируемый и легко управляемый.

В чем разница между статической и динамической маршрутизацией?

Статическая IP-маршрутизация — это когда вы статически настраиваете устройство для отправки трафика для определенных пунктов назначения в предварительно сконфигурированных направлениях. Динамический способ — это когда вы используете протокол маршрутизации, такой как OSPF, ISIS, EIGRP и или BGP, чтобы выяснить, какой тип трафика должен пройти. В реальном мире очень мало ситуаций, когда используется только один из двух методов. Типичная сеть будет использовать динамический протокол OSPF для определения оптимальных маршрутов внутри предприятия, BGP — для определения лучших точек выхода для остальной части интернета и статическую маршрутизацию для отправки специфического трафика по выделенным путям.

IP-адресация и маршрутизация: как это работает?

Маршрутизаторы, чтобы иметь возможность передавать пакеты в конечный пункт назначения, должны поддерживать таблицу маршрутизации, в которой хранится вся необходимая информация, содержащая комбинацию сетей и интерфейсов вывода.

Каждый раз, когда устройство получает пакет, он проверяет IP-адрес получателя и пытается найти, просмотрев в своей электронной таблице данных возможный путь следования информации к этому IP-адресу. Маршрутизаторы не отправляют широковещательные рассылки в поиске удаленных сетей: если сеть не указана в таблице, прибор просто отбрасывает пакеты.

Когда использовать маршрутизацию по умолчанию

Маршрутизация по умолчанию используется только в сетях-заглушках. Stub — это сети, которые имеют только один интерфейс вывода, и все, проходящее через эти сети, должно пересекать единую точку выхода.

Вместо того, чтобы большое количество статических маршрутов указывало на удаленные сети через один выходной интерфейс, настраивается один путь следования по умолчанию, который соответствует всем возможным маршрутам.

Использование административных расстояний

По умолчанию для статических маршрутов административное расстояние составляет 1. AD используются для определения приоритетов. Для разных маршрутов в конкретной целевой сети могут быть назначены разные веса, так что один из путей передачи данных используется в приоритете. Маршруты с одинаковой весовой нагрузкой разделяют трафик.

Маршрутизация бывает статическая и динамическая. Для статической маршрутизации необходимы таблицы маршрутизации, которые создает сетевой администратор; в них указываются фиксированные (статические) маршруты между любыми двумя маршрутизаторами. Эту информацию администратор вводит в таблицы вручную. Администратор сети также отвечает за ручное обновление таблиц в случае отказа каких-либо сетевых устройств. Маршрутизатор, работающий со статическими таблицами, может определить факт неработоспособности какого-либо сетевого канала, однако он не может автоматически изменить пути передачи пакетов без вмешательства со стороны администратора.

Динамическая маршрутизация выполняется независимо от сетевого администратора.

Протоколы динамической маршрутизации позволяют маршрутизаторам автоматически выполнять следующие операции:

· находить другие доступные маршрутизаторы в остальных сетевых сегментах;

· определять с помощью метрик кратчайшие маршруты к другим сетям;

· определять моменты, когда сетевой путь к некоторому маршрутизатору не-доступен или не может использоваться;

· применять метрики для перестройки наилучших маршрутов, когда некото-рый сетевой путь становится недоступным;

· повторно находить маршрутизатор и сетевой путь после устранения сетевой проблемы в этом пути.

Мосты-маршрутизаторы

Мост-маршрутизатор (brouter) – это сетевое устройство, в некоторых случаях исполняющее функции моста, а в других случаях – функции маршрутизатора.

Рис. 3 Мост-маршрутизатор

Например, такое устройство может работать как мост для определенных протоколов, таких как NetBEUI (поскольку тот является немаршрутизируемым), и как маршрутизатор для других протоколов, например, для TCP/IP.

Мост-маршрутизатор может выполнять следующие функции:

· эффективно управлять пакетами в сети со многими протоколами, включая протоколы, которые являются маршрутизируемыми, и протоколы, которые маршрутизировать нельзя;

· уменьшать нагрузку на каналы, изолируя и перенаправляя сетевой трафик;

· соединять сети;

· обеспечивать безопасность некоторых фрагментов сети, контролируя доступ к ним.

Мосты-маршрутизаторы используются в сетях, работающих с несколькими протоколами, например, с NetBEUI, IPX/SPX и TCP/IP, поэтому они также называются многопротокольными маршрутизаторами.

Функции (маршрутизация или пересылка), выполняемые ими по отношению к некоторому протоколу, зависят от двух причин:

· от директив сетевого администратора, заданных для этого протокола;

· от того, содержит ли входящий фрейм данные о маршрутизации (если не со-держит, то пакеты этого протокола обычно пересылаются во все сети).

Если мост-маршрутизатор настроен не на маршрутизацию, а на пересылку протокола, он передает каждый фрейм, используя адресную информацию подуровня MAC Канального уровня так, как это делает мост.

Это существенная возможность для сети, в число протоколов которой входит NetBEUI (поскольку этот протокол нельзя маршрутизировать). Для маршрутизируемых протоколов, таких как TCP/IP, мост-маршрутизатор пересылает пакеты в соответствии с адресной информацией и данными о маршрутизации, содержащимися на сетевом уровне.

Коммутаторы

Коммутаторы (switch) обеспечивают функции моста, а также позволяют по-высить пропускную способность существующих сетей.

Рис. 4 Коммутатор

Коммутаторы используемые в локальных сетях, напоминают мосты в том смысле, что они работают на подуровне MAC Канального уровня и анализируют адреса устройств во всех входящих фреймах.

Как и мосты, коммутаторы хранят таблицу адресов и используют эту информацию для принятия решения о том, как фильтровать и пересылать трафик локальной сети. В отличие от мостов, для увеличения скорости передачи данных и полосы пропускания сетевой среды в коммутаторах применяются методы коммутации.

В коммутаторах локальных сетей обычно используется один из двух методов:

· при коммутации без буферизации пакетов (cut-through switching) фреймы пересылаются по частям до того момента, пока фрейм не будет получен целиком. Передача фрейма начинается сразу же, как только будет прочитан целевой адрес MAC-уровня и из таблицы коммутатора будет определен порт назначения. Такой подход обеспечивает относительно высокую скорость передачи (отчасти за счет отказа от проверки наличия ошибок).

· в процессе коммутации с промежуточным хранением (store-and-forward switching) (также называемой коммутацией с буферизацией) передача фрейма не начинается до тех пор, пока он не будет получен полностью. Как только коммутатор получает фрейм, он проверяет его контрольную сумму (CRC) перед тем, как отправлять целевому узлу. Затем фрейм поминается (буферизируется) до тех пор, пока не освободится соответствующий порт и коммуникационный канал (они могут быть заняты другими данными).

Новейшие модели коммутаторов (иногда называемые маршрутизирующими коммутаторами), использующие коммутацию с промежуточным хранением, могут совмещать функции маршрутизаторов и коммутаторов и, следовательно, работают на Сетевом уровне, чтобы определять кратчайший путь к целевому узлу. Одним из достоинств таких коммутаторов является то, что они предоставляют большие возможности для сегментации сетевого трафика, позволяя избегать широковещательного трафика, возникающего в сетях Ethernet.

Коммутация с промежуточным хранением распространена больше, чем коммутация без буферизации пакетов, и в некоторых коммутаторах, работающих по этому принципу, для повышения производительности используется встроенный центральный процессор. В принципе коммутаторы с собственным процессором работают значительно быстрее, чем “простые” коммутаторы. Однако в некоторых случаях и такие коммутаторы могут быть перегружены входящим трафиком, причем использование процессора может достигать 100% и коммутатор фактически будет работать медленнее, чем коммутатор без внутреннего процессора.

Поэтому, если используется коммутатор с собственным процессором, важно определить мощность этого процессора и его соответствие ожидаемой сетевой нагрузке.

Коммутаторы локальных сетей поддерживают следующие стандарты:

· Fast Ethernet;

· Gigabit Ethernet;

· 10 Gigabit Ethernet;

· Fast Token Ring;

Одной из наиболее распространенных задач, решаемой при помощи механизмов коммутации, является уменьшение вероятности конфликтов и повышение пропускной способности локальных сетей Ethernet. Коммутаторы сетей Ethernet, используя свои таблицы MAC-адресов, определяют порты, которые должны получить конкретные данные.

Поскольку каждый порт подключен к сегменту, содержащему только один узел, то этот узел и сегмент получают в свое распоряжение всю полосу пропускания (10 или 100 Мбит/с, 1 или 10 Гбит/с), т. к. другие узлы отсутствуют; при этом вероятность конфликтов уменьшается.

Другой распространенной областью применения коммутаторов являются сети с маркерным кольцом. Коммутатор Token Ring может выполнять только функции моста на канальном уровне или работать как мост с маршрутизацией от источника на Сетевом уровне.

Переключаясь непосредственно к тому сегменту, который должен получать данные, коммутаторы могут значительно увеличить пропускную способность сети без модернизации, существующей передающей среды. Рассмотрим для примера не имеющий возможности коммутации концентратор Ethernet, к которому подключены восемь сегментов 10 Мбит/с. Скорость работы этого концентратора никогда не превысит 10 Мбит/с, поскольку каждый момент времени он может передавать данные только в один сегмент. Если концентратор заменить коммутатором Ethernet, общая пропускная способность сети увеличится в восемь раз, т. е. до 80 Мбит/с, поскольку коммутатор может посылать пакеты в каждый сегмент практически одновременно. В настоящее время коммутаторы не намного дороже концентраторов, поэтому с их помощью проще всего повысить скорость работы сети с высоким трафиком.

Выпускаются управляемые коммутаторы, которые, как и управляемые концентраторы, имеют “интеллектуальные” способности. Для многих сетей имеет смысл потратить дополнительные средства на приобретение управляемых коммутаторов, поддерживающих протокол SNMP, что позволит повысить степень управления и мониторинга сети. Некоторые коммутаторы также могут поддерживать технологию виртуальных локальных сетей (Virtual LAN, VLAN).

Эта технология, описанная стандартами IEEE 802.1q, представляет собой программный метод деления сети на подсети, не зависящие от ее физической топологии и содержащие логические группы. Члены рабочей группы VLAN могут располагаться в физически удаленных сетевых сегменте однако их можно объединить в один логический сегмент с помощью программного обеспечения и коммутаторов VLAN, маршрутизаторов и других сетевых устройств. Лучше всего для реализации сетей VLAN использовать маршрутизирующие коммутаторы, поскольку они позволяют уменьшить издержки на управление сетью, что объясняется их умением маршрутизировать пакеты между подсетями. Коммутаторы Уровня 2 в сети VLAN требуют, чтобы порты коммутаторов были связаны с МАС-адресами, что усложняет управление сетью VLAN.

Шлюзы

Термин шлюз (gateway) используется во многих контекстах, но чаще всего он обозначает программный или аппаратный интерфейс, обеспечивающий взаимодействие между двумя различными типами сетевых систем или программ.

Рис. 5 Шлюз

Например, с помощью шлюза можно выполнять следующие операции:

· преобразовывать широко используемые протоколы (например, TCP/IP) в специализированные (например, в SNA);

· преобразовывать сообщения из одного формата в другой;

· преобразовывать различные схемы адресации;

· связывать хост-компьютеры с локальной сетью;

· обеспечивать эмуляцию терминала для подключений к хост-компьютеру;

· перенаправлять электронную почту в нужную сеть;

· соединять сети с различными архитектурами.

Шлюзы имеют множество назначений, поэтому могут работать на любом Уровне OSI.

Сетевые шлюзы работают на всех известных операционных системах. Основная задача сетевого шлюза - конвертировать протокол между сетями.

Роутер сам по себе принимает, проводит и отправляет пакеты только среди сетей, использующих одинаковые протоколы.

Сетевой шлюз может с одной стороны принять пакет, сформатированный под один протокол (например Apple Talk) и конвертировать в пакет другого протокола (например TCP/IP) перед отправкой в другой сегмент сети. Сетевые шлюзы могут быть аппаратным решением, программным обеспечением или тем и другим вместе, но обычно это программное обеспечение, установленное на роутер или компьютер. Сетевой шлюз должен понимать все протоколы, используемые роутером. Обычно сетевые шлюзы работают медленнее, чем сетевые мосты, коммутаторы и обычные маршрутизаторы.

Сетевой шлюз - это точка сети, которая служит выходом в другую сеть. В сети Интернет узлом или конечной точкой может быть или сетевой шлюз, или хост. Интернет-пользователи и компьютеры, которые доставляют веб-страницы пользователям - это хосты, а узлы между различными сетями - это сетевые шлюзы. Например, сервер, контролирующий трафик между локальной сетью компании и сетью Интернет - это сетевой шлюз.

В крупных сетях сервер, работающий как сетевой шлюз, обычно интегрирован с прокси-сервером и межсетевым экраном. Сетевой шлюз часто объединен с роутером, который управляет распределением и конвертацией пакетов в сети.

Сетевой шлюз может быть специальным аппаратным роутером или программным обеспечением, установленным на обычный сервер или персональный компьютер. Большинство компьютерных операционных систем использует термины, описанные выше.

Компьютеры под Windows обычно используют встроенный мастер подключения к сети, который по указанным параметрам сам устанавливает соединение с локальной или глобальной сетью. Такие системы могут также использовать DHCP-протокол.

Передающее оборудование глобальных сетей предназначено для работы в обычных телефонных сетях, а также на выделенных линиях, таких как Т-линии и ISDN-линии. Они могут иметь аналоговые компоненты (например, модемы) или же быть полностью цифровыми (как для ISDN-коммуникаций). Чаще всего это оборудование либо преобразует сигнал для передачи на большие расстояния, либо создает множество каналов внутри одной коммуникационной среды, обеспечивая тем самым более высокую пропускную способность.

Основные виды передающего оборудования глобальных сетей:

· мультиплексоры;

· группы каналов;

· частные телефонные сети;

· телефонные модемы;

· адаптеры ISDN;

· кабельные модемы;

· модемы и маршрутизаторы DSL;

· серверы доступа;

· маршрутизаторы.

Мультиплексоры

Мультиплексоры (multiplexer, MUX) – это сетевые устройства, которые могут принимать сигнал от множества входов и передавать их в общую сетевую среду.

Рис.1 Мультиплексор

Мультиплексоры по сути представляют собой коммутаторы и используются в старых и новых технологиях, в том числе:

· в телефонии для коммутации физических линий;

· при коммутации телекоммуникационных виртуальных цепей для создания множества каналов в одной линии (например, в Т-линиях);

· в последовательных каналах для подключения нескольких терминалов к одной линии (в локальных или глобальных сетях), для чего эта линия делится на несколько каналов;

· в технологиях Fast Ethernet, X.25, ISDN, ретрансляции кадров, АТМ других (для создания множества коммуникационных каналов в одной кабельной передающей среде).

Мультиплексоры работают на Физическом уровне OSI, переключаясь между каналами. При этом используется один из трех методов электрической коммутации или единственный метод при передаче по оптической среде.

Методы электрической коммутации: множественный доступ с уплотнением каналов (TDMА), множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA) и статистический множественный доступ.

При передаче по оптической среде применяется спектральное разделение (уплотнение) каналов (wavelength division multiplexing, WDM). Световую волну можно представить как спектр, состоящий из волн различной длины, изменяемой в ангстремах. Ангстрем равен 10-10 м, а световая волна состоит из отдельных волн длиной от 4000 до 7000 ангстрем. При использовании спектрального разделения несколько входящих соединений преобразуются в набор волн различной длины в пределах спектра света, передаваемого по оптоволоконному кабелю.

Группы каналов

При своем появлении группы каналов (channel bank), или канальные группы, представляли собой устройства, позволяющие пропускать несколько входящих речевых сигналов по одной линии, а мультиплексоры преобразовывали несколько сигналов данных для передачи по одной линии.

Рис. 2 Группы каналов

Необходимость передачи голоса, данных и видео привела к быстрому развитию телекоммуникационных групп каналов, и в настоящее время с их помощью можно как передавать речевые сигналы, так и выполнять мультиплексирование данных, речи и видео.

Таким образом, группа каналов – это крупный мультиплексор, объединяющий телекоммуникационные каналы в одном месте, называемом точкой присутствия (point of presence, POP). Эти каналы могут представлять собой частные линии Т-1, полные линии Т-1 и Т-3, каналы ISDN или каналы с ретрансляцией кадров. Первые группы каналов типа D-1 состояли из мультиплексоров Т-1.

Усовершенствования групп каналов привели к появлению D-4 и менее дорогих систем цифрового доступа и коммутации (DACS). Там, где интенсивно используются выделенные линии, существуют также группы каналов Т-3, ISDN и с ретрансляцией кадров.

В пределах точки присутствия (POP) несколько групп каналов связываются Между собой для того, чтобы входящий трафик из одной группы каналов можно было переключать на другую группу каналов и отправлять к точке Назначения. Все каналы во входящей линии (например, линии Т-1) объединяются и могут быть перенаправлены в другую группу каналов. Можно так же перенаправить в другую группу только один из входящих каналов. Для соединения групп каналов существуют два метода маршрутизации, которые, по сути, напоминают динамическую и статическую маршрутизацию в сетях. Таким образом, современные группы каналов располагают таблицами маршрутизации, которые либо поддерживаются автоматически, либо настраиваются администраторами.

В зависимости от сетевой архитектуры точки присутствия, информация о маршрутизации может храниться либо централизованно в одной из групп каналов, либо распределяться между установленными группами.

Частные телефонные сети

Некоторые организации для уменьшения числа линий, подключенных к региональной телефонной компании, разворачивают собственные телефонные службы. Например, компания может иметь 100 офисов, имеющих собственные телефоны, но при этом не более 50 сотрудников могут одновременно звонить за пределы этих офисов. Эта компания может сэкономив средства, установив собственную телефонную систему, имеющую 100 линий связи с офисами, подключаемыми к центральной АТС (автоматической телефонной станции) или коммутационному узлу, который 50-ю линиями соединен с региональной телефонной компанией.

Первоначально наиболее распространенными частными системами были офисные станции с исходящей и входящей связью (private branch exchange, PBX). Они представляли собой коммутаторы с ручным управлением, для которых требовался оператор, выполняющий соединения внутри организации или при выходе во внешнюю телефонную сеть.

В результате усовершенствований появились автоматические учрежденческие телефонные системы, называемые частными АТС без выхода в общую сеть (private automatic exchange, PAX) и частными АТС с исходящей и входящей связью (private automatic branch exchange, PABX).

Рис. 3 Private automatic branch exchange, PABX

В РАВХ-станциях по-прежнему используется коммутатор, и переключения выполняются как вручную, так и автоматически. В РАХ-станциях коммутатор отсутствует. В состав станций обоих типов входят телефонные магистральные линии (похожие на магистраль сети), обычные телефонные линии, линии связи с региональной телефонной компанией, телефоны и коммутирующая система на базе процессора или компьютер, имеющий память, жесткий диск и программное обеспечение. Эти станции могут помимо речи передавать видеосигналы и данные.

Централизованная компьютерная система нередко предлагает возможности голосовой почты, переадресации и ожидания вызова, функции учета времени и другие службы. Чаще всего такие системы имеют консоль для оператора, выполняющего специальные функции (например, обработку добавочных номеров, счетов и другой информации). Иногда имеются модемные линии для сотрудников, которые из дома по коммутируемой линии подключаются к компьютерной сети.

Телефонные модемы

Модемы долго играли важную роль в становлении глобальных сетей. Термин модем представляет собой сокращение от термина “модулятор/демодулятор”.
Модем преобразует выходящий компьютерный (цифровой) сигнал в аналоговый, который может быть передан по телефонной линии. Кроме того, модем преобразует входящий аналоговый сигнал в цифровой, понятный компьютеру.

Рис. 4 Телефонный модем

Модемы для компьютеров бывают внутренние и внешние. Внутренний модем вставляется в компьютерный слот расширения на материнской плате.

Внешний модем – это автономное устройство, подключаемое к последовательному порту компьютера с помощью специального модемного кабеля, совпадающего с разъемом последовательного порта.

Существуют три основных типа разъемов: устаревший разъем DB-25 с 25 штырьками (контактами), похожий на разъем параллельного принтерного порта (однако непригодный для работы с параллельным портом); разъем DB-9 на 9 контактов и круглый разъем PS/2 для последовательной связи (такой как на IBM PC).

Также для последовательных соединений используется универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus USB). Стандарт USB позволяет соединять любые типы периферийных устройств (например, принтеры, модемы и ленточные накопители) и во многих случаях заменяет обычные параллельные и последовательные порты. И внутренние, и внешние модемы подключаются к телефонной розетке с помощью обычного телефонного шнура, имеющего на обоих концах разъемы RJ-11.

Скорость передачи данных через модем измеряется двумя похожими, но не идентичными единицами: скоростью в бодах (baud rate) и количеством битов переданных за секунду (бит/с). Скорость в бодах представляет собой количество изменений за секунду для волнового сигнала, передающего данные. Эта скорость достоверно определяла быстродействие модемов при их появлении (когда они могли при каждом изменении сигнала передавать только один бит данных).

Основное влияние на модемные технологии оказала компания Microcom, первая разработавшая протокол Microcom Network Protocol (MNP). Этот стандарт описывает классы коммуникационных служб (классы MNP со 2-й по 6-й, а также класс 10-й для передачи с использованием сотовых телефонов) и обеспечивает эффективную работу с помощью методов коррекции ошибок и сжатия данных.

Союз ITU также разработал стандарты на модемную связь, включив в свой стандарт V.42 многие классы MNP.

Модемы работают либо в синхронном, либо в асинхронном режиме. При синхронных коммуникациях повторяющиеся пакеты данных управляются синхросигналом, начинающим каждый пакет. В асинхронном режиме данные передаются отдельными блоками, разделенными стартовыми и стоповыми битами.

Адаптеры ISDN

Для подключения компьютера к линии ISDN необходимо устройство, напоминающее цифровой модем и называемое терминальным адаптером (terminal adapter, ТА).

Рис. 5 Адаптер ISDN

Существующие терминальные адаптеры имеют почти такую же стоимость, как и высококачественные асинхронные или синхронные модемы, однако их быстродействие выше (например, от 128 до 512 Кбит/с).

Терминальные адаптеры преобразуют цифровой сигнал в некоторый протокол, который пригоден для передачи по цифровой телефонной линии. Обычно у них имеется разъем аналогового телефона, с помощью которого можно подключить обычный телефон или модем и использовать их на цифровой линии.

Чаще всего оборудование ISDN позволяет подключатся к одной телефонной линии или медной паре (такому же проводу, с помощью которого домашний или офисный телефон соединяется с телефонной станцией), однако оно обеспечивает раздельные каналы для компьютерных данных и обычной аналоговой голосовой связи. Одновременно можно использовать или одну аналоговую и одну цифровую линию, или две цифровых, или две аналоговых линии.

Модемы и маршрутизаторы DSL

Другой высокоскоростной службой передачи цифровых данных, конкурирующей с ISDN и кабельными модемами, является технология Digital Subscriber Line, DSL (цифровая абонентская линия).

Она представляет собой метод передачи цифровых данных по медному проводу, уже проложенному в большинстве офисов для телефонных служб (новейшие технологии DSL могут использоваться с оптоволоконными телефонными линиями). Для того, чтобы использовать DSL, можно установить на компьютер интеллектуальный адаптер, подключенный к сети DSL

Рис.1 Интеллектуальный адаптер, подключенный к сети DSL

Интеллектуальный адаптер может по внешнему виду напоминает модем, однако адаптер является полностью цифровым, т. е. он не преобразует цифровой сигнал DTE (компьютера или сетевого устройства) в аналоговый, а посылает его прямо в телефонную линию. Две пары проводников соединяют адаптер и телефонную розетку.

Коммуникации по медному проводу являются симплексными (односторонними), т. е. одна пара используется для передачи исходящие данных, а другая – для приема входных сигналов, что в результате образует восходящий канал, идущий к телекоммуникационной компании, и нисходящий канал, направленный к пользователю.

Максимальная скорость восходящего канала равна 1 Мбит/с, а нисходящая может достигать 60 Мбит/с. Максимальное расстояние без повторителя (усиливающего сигнал) от пользователя к телекоммуникационной компании равняется 5,5 км (что совпадает с требованиями ISDN).

К сетям DSL-линия подключается при помощи комбинированного адаптера DSL и маршрутизатора. В результате это устройство может использовать для распределения сетевого трафика и в качестве брандмауэра, обеспечивающего доступ к сетевым устройствам только авторизованным абонентам.

При таком подключении множество пользователей может обращаться к одной DSL-линии через существующую сеть, при этом сеть будет защищена от вторжения через эту линию. Обычно для такого подключения имеется управляющее программное обеспечение, позволяющее выполнять мониторинг линии и ее диагностирование.

Серверы доступа

Сервер доступа (access server) совмещает в себе функции нескольких устройств, применяемых для глобальной связи.

Например, один сервер доступа может выполнять передачу данных с использованием модемных коммуникаций, Х.25, линий Т-1, Т-3 и ISDN, а также ретрансляции кадров. Некоторые серверы доступа разработаны для небольших и средних по размеру сетей.

Такие серверы для подключения к сети имеют адаптер Ethernet или Token Ring. Также у них существуют несколько синхронных и асинхронных портов для подключения терминалов, модемов, телефонов-автоматов, линий ISDN и Х.25. У небольших серверов доступа обычно бывает от 8 до 16 асинхронных портов и один-два синхронных порта.

Мощные серверы доступа имеют модульную конструкцию со слотами (от 10 до 20) для подключения коммуникационных плат, как показано на рис. 4.14. Одна плата, к примеру, может иметь 8 асинхронных портов и один синхронный. Другая плата может предназначаться для подключения к линии Т-1, а еще одна – для работы с линией ISDN.

Рис. 2 Серверы доступа

Также могут быть модульные платы со встроенными модемами, например, с 4-мя модемами на одной плате. Некоторые серверы доступа модульной конструкции способны поддерживать почти 70 модемов. Для обеспечения отказоустойчивости серверы снабжаются также дополнительными источниками питания.

Маршрутизаторы

С помощью удаленного маршрутизатора сети, расположенные на большом удалении друг от друга (например, в разных городах), можно объединить в глобальную сеть. Один маршрутизатор, находящийся в одном городе, может соединить некоторую компанию с удаленным маршрутизатором, находящимся в другой компании, расположенной в любом другом городе.

Рис. 3 Маршрутизатор

Удаленные маршрутизаторы соединяют сети, использующие ATM, ISDN, технологии ретрансляции кадров и передачи данных по скоростной последовательной линии, а также Х.25. Удаленный маршрутизатор, как и локальный, может поддерживать множество протоколов, позволяя соединять удаленные сети различных типов. Аналогичным образом удаленный маршрутизатор может работать как брандмауэр, ограничивающий доступ к определенным сетевым ресурсам.

Некоторые удаленные маршрутизаторы имеют модульную конструкцию, что позволяет вставлять в слоты расширения различные интерфейсы (например, Интерфейс для ISDN-линии и интерфейс для ретрансляции кадров).

Преимущество такого маршрутизатора состоит в том, что его можно постепенно расширять по мере усложнения коммуникационных задач, а с этим сталкиваются многие организации.