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

Подождите немного. Документ загружается.

211

ким каналам связи, что повышает пропускную способность и на-

дежность сети.

Задачу маршрутизации решают не только промежуточные уз-

лы-маршрутизаторы, но и конечные узлы – компьютеры. Средст-

ва сетевого уровня, установленные на конечном узле, при обра-

ботке пакета должны, прежде всего, определить, направляется ли

он в другую сеть или адресован какому-нибудь

узлу данной сети.

Если номер сети назначения совпадает с номером данной сети, то

пакету не требуется решать задачу маршрутизации. Если же но-

мера сетей отправления и назначения не совпадают, то маршру-

тизация нужна.

Таблицы маршрутизации конечных узлов полностью анало-

гичны таблицам маршрутизации, хранящимся на маршрутизато-

рах. Однако, если маршрутизаторы обычно

автоматически соз-

дают таблицы маршрутизации, обмениваясь служебной инфор-

мацией, то для конечных узлов таблицы маршрутизации часто

создаются вручную администраторами и хранятся в виде посто-

янных файлов на дисках.

6.5. Протоколы маршрутизации

Задача маршрутизации решается на основе анализа таблиц

маршрутизации, размещенных во всех маршрутизаторах и конеч-

ных узлах сети. Основная работа по созданию таблиц маршрути-

зации выполняется автоматически, но и возможность вручную

скорректировать или дополнить таблицу тоже, как правило, пре-

дусматривается. Для автоматического построения таблиц мар-

шрутизации маршрутизаторы обмениваются информацией о то-

пологии

составной сети в соответствии со специальным служеб-

ным протоколом. Протоколы этого типа называются протоколами

маршрутизации (или маршрутизирующими протоколами).

Протоколы маршрутизации (например, RIP, OSPF) следует

отличать от собственно сетевых протоколов (например, IP, IPX).

Те и другие выполняют функции сетевого уровня модели OSI –

участвуют в доставке пакетов адресату через разнородную со-

ставную сеть. Но в то время

как первые собирают и передают по

сети чисто служебную информацию, вторые предназначены для

212

передачи пользовательских данных, как это делают протоколы

канального уровня. Протоколы маршрутизации используют сете-

вые протоколы как транспортное средство. При обмене маршрут-

ной информацией пакеты протокола маршрутизации помещаются

в поле данных пакетов сетевого уровня или даже транспортного

уровня, поэтому с точки зрения вложенности пакетов протоколы

маршрутизации формально следовало бы отнести к более

высо-

кому уровню, чем сетевой.

В том, что маршрутизаторы для принятия решения о продви-

жении пакета обращаются к адресным таблицам, можно увидеть

их некоторое сходство с мостами и коммутаторами. Однако при-

рода используемых ими адресных таблиц значительно различает-

ся. Вместо MAC-адресов в таблицах маршрутизации указываются

номера сетей, которые соединяются в

интерсеть. Другим отличи-

ем таблиц маршрутизации от адресных таблиц мостов является

способ их создания. В то время как мост строит таблицу, пассив-

но наблюдая за проходящими через него информационными кад-

рами, посылаемыми конечными узлами сети друг другу, маршру-

тизаторы по своей инициативе обмениваются специальными

служебными пакетами, сообщая соседям об известных им

сетях в

интерсети, маршрутизаторах и о связях этих сетей с маршрутиза-

торами. Обычно учитывается не только топология связей, но и их

пропускная способность и состояние. Это позволяет маршрутиза-

торам быстрее адаптироваться к изменениям конфигурации сети,

а также правильно передавать пакеты в сетях с произвольной то-

пологией.

С помощью протоколов маршрутизации

маршрутизаторы со-

ставляют карту связей сети той или иной степени подробности.

На основании этой информации для каждого номера сети прини-

мается решение о том, какому следующему маршрутизатору надо

передавать пакеты, направляемые в эту сеть, чтобы маршрут ока-

зался рациональным. Результаты этих решений заносятся в таб-

лицу маршрутизации. При изменении конфигурации сети

неко-

торые записи в таблице становятся недействительными. В таких

случаях пакеты, отправленные по ложным маршрутам, могут

«зацикливаться» и теряться. От того, насколько быстро протокол

маршрутизации приводит в соответствие содержимое таблицы

реальному состоянию сети, зависит качество работы всей сети.

213

Выводы

Маршрут – это последовательность маршрутизаторов, кото-

рые должен пройти пакет от отправителя до получателя. Задачу

выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрути-

заторы и конечные узлы на основе таблиц маршрутизации. Запи-

си в таблицу могут вноситься вручную администратором и авто-

матически – протоколами маршрутизации.

Протоколы маршрутизации (например, RIP или OSPF) следует

отличать от собственно сетевых

протоколов (например, IP или

IPX). В то время как первые собирают и передают по сети слу-

жебную информацию о возможных маршрутах, вторые предна-

значены для передачи пользовательских данных.

Сетевые протоколы и протоколы маршрутизации реализуются

в виде программных модулей на конечных узлах-компьютерах и

на промежуточных узлах-маршрутизаторах.

Маршрутизатор представляет собой сложное многофункцио

нальное устройство, в задачи которого входит: построение таб-

лицы маршрутизации, определение на ее основе маршрута, буфе-

ризация, фрагментация и фильтрация поступающих пакетов, под-

держка сетевых интерфейсов. Функции маршрутизаторов могут

выполнять как специализированные устройства, так и универ-

сальные компьютеры с соответствующим программным обеспе-

чением.

6.6. Фрагментация пакетов

Каждая сеть ограничивает размер своих пакетов. Эти пределы

вызваны различными причинами, среди которых есть следующие:

1. Аппаратные.

2. Операционная система (например, все буферы имеют раз-

мер 512 байт).

3. Протоколы (например, количество битов в поле длины па-

кета).

4. Соответствие какому-либо международному или нацио-

нальному стандарту.

5. Желание снизить количество пересылаемых повторно (из-

за

ошибок передачи) пакетов.

214

6. Желание предотвратить ситуацию, когда один пакет слиш-

ком долгое время занимает канал.

Результатом действия всех этих факторов является тот факт,

что разработчики не могут выбирать максимальный размер паке-

та по своему желанию. Максимальный размер поля полезной на-

грузки варьируется от 48 байт (АТМ-ячейки) до 65 515 байт (IP-

пакеты), хотя на более высоких

уровнях размер поля полезной

нагрузки часто бывает больше. Очевидная проблема возникает,

когда большой пакет хочет пройти по сети, чей максимальный

размер пакетов слишком мал. Одно из решений состоит в предот-

вращении возникновения самой проблемы. Другими словами,

объединенная сеть должна использовать такой алгоритм маршру-

тизации, который не допускает пересылки пакетов по сетям

, ко-

торые не могут их принять. Однако, если оригинальный пакет

окажется слишком велик для сети адресата, то алгоритм маршру-

тизации окажется в данном случае бессилен. Следовательно,

единственное решение проблемы заключается в разрешении

шлюзам разбивать пакеты на фрагменты и посылать каждый

фрагмент в виде отдельного межсетевого пакета.

Для восстановления оригинальных пакетов

из фрагментов

применяются две противоположные стратегии. Первая стратегия

заключается в том, что пакет, входя через сеть небольшим допус-

тимым размером пакетов, разбивается на входе шлюзом (G1) на

фрагменты. Этот вариант показан на рис. 6.8, а. Каждый фраг-

мент адресуется одному и тому же выходному шлюзу (G2), вос-

станавливающему из этих фрагментов оригинальный

пакет. Этот

процесс повторяется при проходе через каждую сеть, максималь-

ный размер пакетов в которой недостаточно велик.

Такой способ фрагментации прост, но, тем не менее, создает

некоторые проблемы. Во-первых, выходной шлюз должен знать,

когда он получил все части пакета, поэтому каждый фрагмент

должен содержать либо поле счетчика, либо признак

конца паке-

та. Во-вторых, все фрагменты должны выходить через один и тот

же шлюз. Таким образом, налагается запрет на использование

фрагментами различных путей к окончательному получателю, в

результате может оказаться потерянной часть производительно-

сти. Наконец, повторяющиеся фрагментации и последующие

215

сборки пакета при прохождении каждой сети с малым размером

пакетов приводят к дополнительным накладным расходам.

Рис. 6.8. Виды фрагментации пакетов

Другая стратегия фрагментации состоит в отказе от восста-

новления пакета из фрагментов на промежуточных маршрутиза-

торах. Как только пакет разбит на отдельные фрагменты, с каж-

дым фрагментом обращаются как с отдельным пакетом. Задача

восстановления оригинального пакета возложена на получающий

хост (рис. 6.8, б).

Такой способ фрагментации также

имеет свои проблемы. На-

пример, он требует, чтобы каждый хост мог восстановить пакет

из фрагментов. Кроме того, при фрагментации большого пакета

возрастают суммарные накладные расходы, так как каждый

фрагмент должен иметь заголовок.

В то время как в случае первого способа фрагментации лиш-

ние заголовки исчезали при выходе из сети с малым

размером

пакетов, в данном методе накладные расходы сохраняются на

протяжении всего пути. Однако преимущество второй стратегии

фрагментации состоит в возможности использовать для передачи

фрагментов несколько различных маршрутов, что повышает про-

изводительность. Естественно, при использовании модели сцеп-

ленных виртуальных каналов это преимущество бесполезно.

216

Фрагменты пакета должны нумероваться таким образом, что-

бы можно было восстановить исходный поток данных. Это га-

рантирует правильную сборку пакета получателем, независимо

от порядка, в котором будут получены отдельные фрагменты.

Контрольные вопросы к главе 6

1. Что такое составная сеть?

2. Для чего необходима адресация узлов сети? Какова структура

адреса в составной

сети?

3. Что такое виртуальный канал?

4. В чем заключается дейтаграммная модель передачи данных,

каковы ее преимущества и недостатки по сравнению с вирту-

альным каналом?

5. Опишите принцип организации туннеля при передаче данных.

6. Для чего необходима маршрутизация пакетов в составной се-

ти?

7. С помощью каких аппаратных и программных средств реали-

зуется

задача маршрутизации?

8. Для чего необходима фрагментация пакетов?

217

ГЛАВА 7

АДРЕСАЦИЯ И МАРШРУТИЗАЦИЯ

В IP-СЕТЯХ

7.1. Адресация в IP-сетях

При построении сетей одной из важнейших проблем является

адресация узлов. Принятый в IP-сетях способ адресации узлов

позволяет однозначно идентифицировать миллионы сетевых ин-

терфейсов. В стеке ТСР/IP используются три типа адресов:

– локальные, или аппаратные, адреса, используемые для ад-

ресации узлов в пределах подсети;

– сетевые, или IP-адреса, используемые для однозначной

идентификации

узлов в пределах всей составной сети;

– доменные имена – символьные идентификаторы узлов, к ко-

торым часто обращаются пользователи.

В общем случае сетевой интерфейс может иметь одновремен-

но один или несколько локальных адресов и один или несколько

сетевых адресов, а также одно или несколько доменных имен.

Аппаратный (локальный) адрес однозначно идентифицирует

узел

в пределах подсети. МАС-адрес обычно встраивается в ап-

паратуру компанией изготовителем, поэтому его стараются де-

лать по возможности компактным. Если подсеть использует одну

из базовых технологий LAN – Ethernet, FDDI, Token Ring, – то

для доставки данных любому узлу такой подсети достаточно ука-

зать МАС-адрес.

IP-адреса представляют собой основной тип адресов, на осно-

вании которых

сетевой уровень передает пакеты между сетями.

Эти адреса имеют длину 4 байта. Они представляются в виде че-

тырех чисел, представляющих значения каждого байта в деся-

тичной форме, разделенных точками. IP-адрес состоит из двух

218

частей: номера сети (префиксная часть) и номера узла (хост

часть).

Номер сети может быть выбран администратором произволь-

но либо назначен по рекомендации специального подразделения

Интернета, если сеть должна работать как составная часть Ин-

тернета. В настоящее время с Интернетом соединены десятки ты-

сяч сетей, и это число удваивается каждый год. Номера

сетям во

избежание конфликтов назначаются сетевым информационным

центром (NIC, Network Information Center). Обычно поставщики

услуг Интернета получают диапазоны адресов у подразделений

InterNIC, а затем распределяют их между своими абонентами.

Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локаль-

ного адреса узла. Маршрутизатор по определению входит сразу в

несколько сетей, поэтому каждый порт маршрутизатора имеет

собственный IP-

адрес. Конечный узел также может входить в не-

сколько IP-сетей. В этом случае компьютер должен иметь не-

сколько IP-адресов по числу сетевых связей. Таким образом, IP-

адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутиза-

тор, а одно сетевое соединение.

Символьные имена в IP-сетях называются доменными и

строятся по иерархическому признаку. Составляющие полного

символьного

имени в IP-сетях разделяются точкой и перечисля-

ются в следующем порядке: сначала простое имя хоста, затем

имя группы узлов (например, имя организации), затем имя более

крупной группы (поддомена) и так до имени домена самого вы-

сокого уровня (например, домена, объединяющего организации

по географическому принципу: RU – Pocсия, UK – Великобрита-

ния, SU – США). Между доменным

именем и IP-адресом узла нет

никакой функциональной зависимости, поэтому единственный

способ установления соответствия – это таблица. В сетях ТСР/IP

используется специальная распределенная служба доменных

имен (Domain Name System, DNS), которая устанавливает это со-

ответствие на основании создаваемых администраторами сети

таблиц соответствия. Поэтому доменные имена называют также

DNS-именами.

Запись IP-адреса не предусматривает специального разграни-

чительного

знака между номером сети и номером узла. Каким

образом маршрутизаторы, на которые поступают пакеты, выде-

219

ляют из адреса назначения номер сети, чтобы по нему определить

дальнейший маршрут? Какая часть из 32 бит, отведенных под IP-

адрес, относится к номеру сети, а какая – к номеру узла?

32 бита

Класс

Диапазон

адресов хостов

1.0.0.0 -

127.255.255.255

128.0.0.0 -

191.255.255.255

192.0.0.0 -

223.255.255.255

224.0.0.0 -

239.255.255.255

240.0.0.0 -

247.255.255.255

Сеть Хост

110 Сеть Хост

1110

Адрес группы широковещания

11110

Зарезервировано для будущего использования

Рис. 7.1. Классификация IP адресов

Схема деления IP-адреса на номер сети и номер узла первона-

чально была основана на понятии класса, который определяется

значениями нескольких первых битов адреса. Используемые для

IP-адреса форматы классов показаны на рис. 7.1.

Количество допустимых адресов хостов в сети определяется

по формуле:

N=2

(32-P)

-2,

где P-длина префикса. Формат класса А позволяет задавать адре-

са до 126 сетей с 16777216 хостами в каждой, класса В – до 16

382 сетей с 65536 хостами, класса С – 2 млн сетей с 254 хостами в

каждой. Формат класса D предназначен для многоадресной рас-

сылки. Адреса, начинающиеся с 11110, зарезервированы для бу-

дущего применения.

Наименьший IP-адрес выглядит как

0.0.0.0, а наибольший –

255.255.255.255. Комбинации из всех нулей или единиц зарезер-

вированы под служебные цели.

1. IP-адрес 0.0.0.0 используется хостом только при загрузке.

220

2. IP-адреса с нулевым номером сети обозначают текущую

сеть. Эти адреса позволяют машинам обращаться к хостам собст-

венной сети, не зная ее номера (но они должны знать ее класс и

сколько нулей использовать).

3. Адрес, состоящий изо всех единиц, обеспечивает широко-

вещание в пределах текущей (обычно локальной) сети.

4. Адреса, в которых

указана сеть, но со всеми единицами в

поле номера хоста, обеспечивают широковещание в пределах

любой удаленной локальной сети, соединенной с Интернетом.

5. Наконец, все адреса вида 127. хх. уу. zz зарезервированы для

тестирования сетевого программного обеспечения методом обрат-

ной передачи. Отправляемые по этому адресу пакеты не попадают

на линию, а обрабатываются локально как

входные пакеты.

К сожалению, протокол IP быстро становится жертвой собст-

венной популярности: ему перестает хватать адресов. Это при-

нимающее угрожающие размеры бедствие вызвало в Интернет-

сообществе большое количество обсуждений и споров по поводу

путей выхода из сложившейся ситуации. Еще в 1987 г. некоторые

пророки предсказывали, что однажды Интернет может вырасти

до 100 000 сетей. Большинство

экспертов тогда не принимали

всерьез эти предсказания, утверждая, что у Интернета в запасе

имеются десятки лет, если ему вообще грозит что-либо подобное.

100 000-я сеть была подключена к Интернету в 1996 г.

Проблема заключается в том, что Интернету стало недоста-

точно IP- адресов. В принципе, адресов может существовать бо-

лее 2 млрд, однако

при использовании части поля адреса для раз-

деления адресного пространства на классы (см. рис. 7.1) общее

количество возможных адресов резко сокращается. В частности,

главная проблема заключается в сетях класса В. Для большинства

организаций сеть класса А с 16 млн. адресов слишком велика, а

сеть класса C с 256 адресами слишком мала. Сеть класса

B с 65

536 адресами подходит им лучше всего. Возможно, было бы

лучше отвести на номер хоста в адресе класса С 10 бит, что по-

зволило бы иметь до 1022 хостов в каждой сети. В таком случае,

возможно, большинство организаций остановило бы свой выбор

на сети класса С, которых можно было бы создать до

полумил-

лиона (против 16 384 сетей класса В). Однако тогда еще быстрее

возникла бы другая проблема: разрастание таблиц маршрутиза-