Родичев Ю.А. Компьютерные сети - архитектура, технологии, защита

Подождите немного. Документ загружается.

201

хранением. Мост принимает кадр целиком и передает его уровню

передачи данных, где проверяется его контрольная сумма. Затем

кадр посылается вниз на физический уровень для пересылки в

другую сеть. Перед отправкой кадра в другую сеть мосты могут

производить некоторые изменения кадра, например, добавлять

или удалять некоторые поля из заголовка кадра. Поскольку мос

ты представляют собой устройства уровня передачи данных, они

не занимаются заголовками сетевого и более высоких уровней, а

также не могут принимать решения или производить изменения,

зависящие от вышестоящих уровней.

Многопротокольные маршрутизаторы концептуально

близки к мостам, с той разницей, что они применяются на сете-

вом уровне. Они просто принимают пакеты по

одной линии и пе-

редают их по другой, как и обычные маршрутизаторы, но линии

могут принадлежать различным сетям и использовать различные

протоколы. Как и все маршрутизаторы, многопротокольные

маршрутизаторы работают на сетевом уровне.

Транспортные шлюзы соединяют две сети на транспортном

уровне. Наконец, шлюзы прикладного уровня соединяют две

части приложения на прикладном уровне

6.2. Модели передачи данных

в составной сети

Наиболее распространенными являются два стиля объедине-

ния сетей: ориентированный на сцепление виртуальных каналов

и дейтаграммный Интернет-стиль.

В сцепленной модели виртуальных каналов, показанной на

рис. 6.3, соединение с хостом в удаленной сети устанавливается

способом, близким к тому, как устанавливаются обычные со-

единения. Подсеть видит, что адресат является удаленным, и

строит виртуальный канал

к ближайшему маршрутизатору из

сети адресата. Затем она создает виртуальный канал от этого

маршрутизатора к внешнему «шлюзу» (многопротокольному

маршрутизатору). Этот шлюз запоминает существование соз-

данного виртуального канала в своих таблицах и продолжает

строить другой виртуальный канал к маршрутизатору в соседней

202

подсети. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет дос-

тигнут хост-получатель.

Когда по проложенному пути начинают идти пакеты данных,

каждый шлюз переправляет их дальше, преобразуя формат паке-

тов. Очевидно, что все информационные пакеты будут переда-

ваться по одному и тому же пути и, таким образом, прибудут к

пункту назначения

с сохранением порядка отправления. Таким

образом, может быть построен сквозной виртуальный канал, про-

легающий по нескольким сетям с различными протоколами.

Рис. 6.3. Модель виртуальных каналов

Существенной особенностью данного подхода является то,

что последовательность виртуальных пакетов устанавливается от

источника через один или более шлюзов к приемнику. Каждый

шлюз хранит таблицы, содержащие информацию о проходящих

через них виртуальных каналах. Такая схема лучше всего работа-

ет, когда все сети обладают примерно одинаковыми свойствами.

Например,

если все они гарантируют надежную доставку пакетов

сетевого уровня, то весь путь от источника до приемника также

будет надежным. Аналогично, если ни одна из них не гарантиру-

ет надежной доставки, то и соединение виртуальных каналов

также не будет надежным, С другой стороны, если машина-

источник находится в сети, гарантирующей надежную доставку

а одна из промежуточных сетей может терять пакеты, то соеди-

нение виртуальных каналов фундаментально изменит сущность

службы.

203

Альтернативной моделью объединения сетей является дейта-

граммная модель, показанная на рис. 6.4. В данной модели един-

ственная служба, которую сетевой уровень предоставляет транс-

портному уровню, состоит в возможности посылать в сеть дейта-

граммы и надеяться на лучшее.

На сетевом уровне нет никакого упоминания о виртуальных

каналах, не говоря уже об их сцеплении

. В этой модели нет тре-

бования следования всех пакетов по одному и тому же маршруту,

если они принадлежат к одному соединению. Дейтаграммы от

хоста 1 к хосту 2 могут выбирать различные маршруты по объе-

диненной сети. Выбор маршрута производится независимо для

каждого пакета, возможно, в зависимости от текущего состояния

трафика в сети.

Такая стратегия может использовать различные

маршруты и, таким образом, достигать большей пропускной спо-

собности, чем модель сцепленных виртуальных каналов. С дру-

гой стороны, не дается никакой гарантии того, что пакеты прибу-

дут к получателю в нужном порядке, если они вообще прибудут.

В этом случае необходим универсальный межсетевой пакет, ко-

торый распознавался

бы всеми маршрутизаторами. Именно эта

идея была взята за основу при разработке IP-пакетов, то есть па-

кетов, созданных для передачи по разным сетям.

Рис. 6.4. Дейтаграммная модель

Подведем краткие итоги обсуждения способов объединения

сетей. Модель сцепленных виртуальных каналов обладает рядом

недостатков: маршрутизаторы должны хранить таблицы с запи-

сями для каждого открытого соединения, при возникновении за-

204

тора обходные пути не используются, выход маршрутизатора из

строя прерывает все проходящие через него виртуальные каналы.

Кроме того, очень сложно, может даже невозможно, реализовать

систему виртуальных каналов, если в состав объединенной сети

входит хотя бы одна ненадежная дейтаграммная сеть.

В случае дейтаграммного подхода к объединению сетей дос-

тигается более высокая надежность

в случае отказов маршрути-

заторов, однако требуются более длинные заголовки пакетов. В

объединенной сети, как и в единой дейтаграммной сети, возмож-

но применение различных адаптивных алгоритмов выбора мар-

шрута. Главное преимущество дейтаграммного подхода к объе-

динению сетей заключается в том, что для него не требуется,

чтобы объединяемые сети были дейтаграммными

или сетями

виртуальных каналов. К дейтаграммным сетям относятся многие

локальные сети, мобильные сети и даже некоторые глобальные

сети. При включении одной из этих сетей в объединенную сеть

стратегия объединения сетей на основе виртуальных каналов

встречает серьезные трудности.

Объединение сетей в общем случае является исключительно

сложной задачей. Однако есть частный случай, реализация

кото-

рого вполне осуществима. Это случай, при котором хосты источ-

ник и приемник находятся в сетях одного типа, но между ними

находится сеть другого типа. Например, представьте себе между-

народный банк, у которого имеется две ТСР/IP сети на основе

Ethernet в разных городах (для примера в Лондоне и Париже), и

эти

сети соединены глобальной сетью, как показано на рис. 6.5.

Метод решения данной проблемы называется туннелиро-

ванием. Чтобы послать IP-пакет хосту 2, хост 1 формирует па-

кет, содержащий IP-адрес хоста 2, помещает его в кадр Ethernet,

адресованный парижскому многопротокольному маршрутизато-

ру, и пересылает его по сети Ethernet. Получив кадр, многопрото-

кольный маршрутизатор извлекает IP-пакет, помещает его в

поле

полезной нагрузки пакета сетевого уровня глобальной сети и пе-

ресылает его лондонскому многопротокольному маршрутизато-

ру. Когда пакет попадает туда, лондонский многопротокольный

маршрутизатор извлекает IP-пакет и посылает его хосту 2 внутри

кадра Ethernet.

205

Рис.6.5. Модель туннелирования

Глобальную сеть при этом можно рассматривать как большой

туннель, простирающийся от одного многопротокольного мар-

шрутизатора до другого. IP-пакет просто перемещается от одного

конца туннеля к другому, помещенный в удобную упаковку. Ему

не нужно беспокоиться о взаимодействии с глобальной сетью.

Это также не касается ни хостов, ни сети Ethernet.

Переупаковкой

пакета и переадресацией занимаются многопротокольные мар-

шрутизаторы, для чего им нужно уметь разбираться в IP-адресах

и обладать информацией о формате пакетов глобальной сети. В

результате весь путь от середины одного многопротокольного

маршрутизатора до середины другого действует как линия после-

довательной передачи.

6.3. Интернет как составная сеть

На сетевом уровне Интернет можно рассматривать как набор

подсетей или автономных систем, соединенных друг с другом.

Структуры как таковой у Интернета нет, но есть несколько маги-

стралей. Они собраны из высокопропускных линий и быстрых

маршрутизаторов. К магистралям присоединены региональные

(среднего уровня) сети, с которыми соединяются локальные сети

многочисленных организаций и

поставщиков Интернет-услуг.

Схема этой квазииерархической организации показана на рис. 6.6.

206

Рис. 6.6. Структура глобальной сети (Интернет)

Вся эта конструкция удерживается вместе протоколом сетево-

го уровня сети Интернет (IP). В отличие от большинства прото-

колов сетевого уровня, Интернет-протокол с самого начала раз-

рабатывался как протокол межсетевого обмена. Его работа за-

ключается в приложении максимума усилий по транспортировке

дейтаграмм от отправителя к получателю,

независимо от того,

находятся ли эти машины в одной и той же сети или нет. Связь в

Интернете работает следующим образом. Транспортный уровень

берет поток данных и разбивает его на дейтаграммы. Теоретиче-

ски размер дейтаграмм может достигать 64 Кбайт, однако на

практике они обычно около 1500 байт. Каждая дейтаграмма пере-

сылается по Интернету

, возможно, разбиваясь при этом на более

мелкие фрагменты, собираемые сетевым уровнем получателя в

оригинальную дейтаграмму. Затем эта дейтаграмма передается

транспортному уровню, вставляющему ее во входной поток по-

лучающего процесса.

6.4. Принципы маршрутизации

При передаче пакетов между двумя конечными узлами в со-

ставной сети одной из важнейших задач является определение

207

маршрута. Процесс выбора конкретного маршрута называется

маршрутизацией. Рассмотрим принципы маршрутизации на при-

мере составной сети, показанной на рисунке 6.7.

Рис. 6.7. Принципы маршрутизации в составной сети

В этой сети 20 маршрутизаторов (М1, М2,…, М20) объединя-

ют 16 сетей (S1, S2,…, S16) в общую сеть. Маршрутизаторы

имеют по несколько портов, к которым присоединяются сети.

Каждый порт маршрутизатора можно рассматривать как отдель-

ный узел сети: он имеет собственный сетевой адрес и собствен-

ный локальный адрес в той

подсети, которая к нему подключена.

Например, маршрутизатор под номером 1 имеет три порта, к ко-

торым подключены сети S1, S2, S3. На рисунке сетевые адреса

этих портов обозначены как M1(1), M1(2) и M1(3). Порт М1(1)

имеет локальный адрес в сети с номером S1, порт М1(2) – в сети

S2, а порт М1(3) – в сети S3. Таким образом, маршрутизатор

208

можно рассматривать как совокупность нескольких узлов, каж-

дый из которых входит в свою сеть. Как единое устройство мар-

шрутизатор не имеет ни отдельного сетевого адреса, ни какого-

либо локального адреса.

В сложных составных сетях почти всегда существует не-

сколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между

двумя конечными узлами. Маршрут – это последовательность

маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя

до получателя. Так, пакет, отправленный из узла A в узел B, мо-

жет пройти через маршрутизаторы 17, 12, 5, 4 и 1 или маршрути-

заторы 17, 13, 7, 6 и 3. Нетрудно найти еще несколько маршрутов

между узлами A и В. Задачу выбора маршрута из нескольких

возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы.

Маршрут выбирается на

основании имеющейся у этих устройств

информации о текущей конфигурации сети, а также на основании

указанного критерия выбора маршрута. Обычно в качестве кри-

терия выступает задержка прохождения маршрута отдельным па-

кетом или средняя пропускная способность маршрута для после-

довательности пакетов. Часто также используется весьма простой

критерий, учитывающий только количество пройденных в мар

шруте промежуточных маршрутизаторов (хопов).

Чтобы по адресу сети назначения можно было выбрать рацио-

нальный маршрут дальнейшего следования пакета, каждый ко-

нечный узел и маршрутизатор анализируют специальную инфор-

мационную структуру, которая называется таблицей маршрути-

зации. Используя условные обозначения для сетевых адресов

маршрутизаторов и номеров сетей в том виде, как они приведены

на рис. 6.7, посмотрим, как могла бы выглядеть таблица маршру-

тизации, например, в маршрутизаторе 4 (табл. 6.1).

Примечание

Таблица 6.1 значительно упрощена по сравнению с реальны-

ми таблицами маршрутизации, например, отсутствуют столбцы с

признаками состояния маршрута, временем, в течение которого

действительны записи данной таблицы. Вместо номера сети на-

значения может быть указан полный сетевой адрес

отдельного

узла назначения.

209

Кроме того, как уже было сказано, здесь указаны адреса сетей

условного формата, не соответствующие какому-либо определен-

ному сетевому протоколу. Тем не менее, эта таблица содержит ос-

новные поля, имеющиеся в реальных таблицах при использовании

конкретных сетевых протоколов, таких, как IP или IPX.

Таблица 6.1.

Номер сети

назначения

Сетевой адрес

следующего порта

маршрутизатора

Сетевой адрес

выходного порта

Расстояние до

сети назначения

S1 M1(2) M4(1) 1

S2 – M4(1) 0

S3 M1(2) M4(1) 1

S4 M2(1) M4(1) 1

S5 – M4(2) 0

S6 M2(1) M4(1) 2

Default M5(1) M4(2) –

В первом столбце приведенной выше таблицы перечисляются

номера сетей, входящих в интерсеть. В каждой строке таблицы

следом за номером сети указывается сетевой адрес следующего

маршрутизатора (более точно, сетевой адрес соответствующего

порта следующего маршрутизатора), на который надо направить

пакет, чтобы тот передвигался по направлению к сети с данным

номером по рациональному маршруту

. Когда на маршрутизатор

поступает новый пакет, номер сети назначения, извлеченный из

поступившего кадра, последовательно сравнивается с номерами

сетей из каждой строки таблицы. Строка с совпавшим номером

сети указывает, на какой ближайший маршрутизатор следует на-

править пакет. Например, если на какой-либо порт маршрутиза-

тора 4 поступает пакет, адресованный в сеть S6, то

из таблицы

маршрутизации следует, что адрес следующего маршрутизатора

– М2(1), то есть очередным этапом движения данного пакета бу-

дет движение к порту 1 маршрутизатора 2.

Поскольку пакет может быть адресован в любую сеть состав-

ной сети, может показаться, что каждая таблица маршрутизации

должна иметь записи обо всех сетях, входящих в составную сеть.

Но

при таком подходе в случае крупной сети объем таблиц мар-

шрутизации может оказаться очень большим, что повлияет на

время ее просмотра, потребует много места для хранения и т. п.

210

Поэтому на практике число записей в таблице маршрутизации

стараются уменьшить за счет использования специальной записи

– маршрутизатор по умолчанию (default).

Действительно, если принять во внимание топологию состав-

ной сети, то в таблицах маршрутизаторов, находящихся на пери-

ферии составной сети, достаточно записать номера сетей, непо-

средственно подсоединенных к данному маршрутизатору или рас

положенных поблизости, на тупиковых маршрутах. Обо всех же

остальных сетях можно сделать в таблице единственную запись,

указывающую на маршрутизатор, через который пролегает путь

ко всем этим сетям. Такой маршрутизатор называется маршрути-

затором по умолчанию, а вместо номера сети в соответствующей

строке помещается особая запись, например Default. В нашем

примере таким маршрутизатором

по умолчанию для сети S5 явля-

ется маршрутизатор 5, точнее его порт М5(1). Это означает, что

путь из сети S5 почти ко всем сетям большой составной сети про-

легает через этот порт маршрутизатора. Перед тем как передать

пакет следующему маршрутизатору, текущий маршрутизатор

должен определить, на какой из нескольких собственных портов

он должен поместить данный

пакет. Для этого служит третий

столбец таблицы маршрутизации. Еще раз подчеркнем, что каж-

дый порт идентифицируется собственным сетевым адресом.

Некоторые реализации сетевых протоколов допускают нали-

чие в таблице маршрутизации сразу нескольких строк, соответст-

вующих одному и тому же адресу сети назначения. В этом случае

при выборе маршрута принимается во внимание

столбец «Рас-

стояние до сети назначения». При этом под расстоянием понима-

ется любая метрика, используемая в соответствии с заданным в

сетевом пакете критерием. Расстояние может измеряться хопами,

временем прохождения пакета по линиям связи, какой-либо ха-

рактеристикой надежности линий связи на данном маршруте или

другой величиной, отражающей качество данного маршрута по

отношению к заданному критерию. В табл. 6.1 расстояние между

сетями измерялось хопами. Расстояние для сетей, непосредствен-

но подключенных к портам маршрутизатора, здесь принимается

равным 0.

Наличие нескольких маршрутов к одному узлу делают воз-

можным передачу трафика к этому узлу параллельно по несколь-