Велихов А.В. , Строчников К.С., Кошкин. Б.Л. Компьютерные сети: Учебное пособие по администрированию локальных и объединенных сетей
Подождите немного. Документ загружается.
вень) главной вычислительной машины пункта назначения.
После проверки адреса протокола пункта назначения пакета роутер
определяет, знает он или нет, как передать этот пакет к следующему роу
теру. Во втором случае (когда роутер не знает, как переслать пакет) пакет,
как правило, игнорируется. В первом случае роутер отсылает пакет к сле
дующей роутеру путем замены физического адреса пункта назначения на
физический адрес следующего роутера и последующей передачи пакета.
Следующая пересылка может быть или не быть главной вычисли
тельной машиной окончательного пункта назначения. Если нет, то следу
ющей пересылкой, как правило, является другой роутер, который выпол
няет такой же процесс принятия решения о коммутации. По мере того,
как пакет продвигается через объединенную сеть, его физический адрес
меняется, однако адрес протокола остается неизменным.
В изложенном выше описании рассмотрена коммутация между ис
точником и системой конечного пункта назначения. Международная Ор
ганизация по Стандартизации (ISO) разработала иерархическую терми
нологию, которая может быть полезной при описании этого процесса.
Если пользоваться этой терминологией, то устройства сети, не обладаю
щие способностью пересылать пакеты между подсетями, называются ко
нечными системами (ЕS), в то время как устройства сети, имеющие такую
способность, называются промежуточными системами (IS). Промежуточ
ные системы далее подразделяются на системы, которые могут сообщать
ся в пределах «доменов маршрутизации» («внутридоменные» IS), и систе
мы, которые могут сообщаться как в пределах домена маршрутизации, так
и с другими доменами маршрутизации («междоменные IS»). Обычно счи
тается, что «домен маршрутизации» — это часть объединенной сети, на
ходящейся под общим административным управлением и регулируемой
определенным набором административных руководящих принципов. До
мены маршрутизации называются также «автономными системами» (AS).
Для определенных протоколов домены маршрутизации могут быть допол
нительно подразделены на «участки маршрутизации», однако для комму
тации как внутри участков, так и между ними также используются внут
ридоменные протоколы маршрутизации.
Алгоритмы маршрутизации
Алгоритмы маршрутизации можно дифференцировать, основыва
ясь на нескольких ключевых характеристиках. Вопервых, на работу ре
зультирующего протокола маршрутизации влияют конкретные задачи,
которые решает разработчик алгоритма. Вовторых, существуют различ
ные типы алгоритмов маршрутизации, и каждый из них поразному вли
яет на сеть и ресурсы маршрутизации. И наконец, алгоритмы маршрути
зации используют разнообразные показатели, которые влияют на расчет
оптимальных маршрутов.
Лекция 2: Объединенные сети
88
Цели разработки алгоритмов маршрутизации
При разработке алгоритмов маршрутизации часто преследуют одну
или несколько из перечисленных ниже целей:
n Оптимальность
n Простота и низкие непроизводительные затраты
n Живучесть и стабильность
n Быстрая сходимость
n Гибкость
Оптимальность
Оптимальность, вероятно, является самой общей целью разработ
ки. Она характеризует способность алгоритма маршрутизации выбирать
«наилучший» маршрут. Наилучший маршрут зависит от показателей и от
«веса» этих показателей, используемых при проведении расчета. Напри
мер, алгоритм маршрутизации мог бы использовать несколько пересылок
с определенной задержкой, но при расчете «вес» задержки может быть им
оценен как очень значительный. Естественно, что протоколы маршрути
зации должны строго определять свои алгоритмы расчета показателей.
Простота и низкие непроизводительные затраты
Алгоритмы маршрутизации разрабатываются как можно более про
стыми. Другими словами, алгоритм маршрутизации должен эффективно
обеспечивать свои функциональные возможности, с минимальными за
тратами программного обеспечения и коэффициентом использования.
Особенно важна эффективность в том случае, когда программа, реализу
ющая алгоритм маршрутизации, должна работать в компьютере с
ограниченными физическими ресурсами.
Живучесть и стабильность
Алгоритмы маршрутизации должны обладать живучестью. Другими
словами, они должны четко функционировать в случае неординарных или
непредвиденных обстоятельств, таких как отказы аппаратуры, условия
высокой нагрузки и некорректные реализации. Так как роутеры располо
жены в узловых точках сети, их отказ может вызвать значительные про
блемы.
Часто наилучшими алгоритмами маршрутизации оказываются те,
которые выдержали испытание временем и доказали свою надежность в
различных условиях работы сети.
Лекция 2: Объединенные сети
89
Быстрая сходимость
Алгоритмы маршрутизации должны быстро сходиться. Сходимость
— это процесс соглашения между всеми роутерами по оптимальным мар
шрутам. Когда какоенибудь событие в сети приводит к тому, что марш
руты или отвергаются, или становятся доступными, роутеры рассылают
сообщения об обновлении маршрутизации. Сообщения об обновлении
маршрутизации пронизывают сети, стимулируя пересчет оптимальных
маршрутов и, в конечном итоге, вынуждая все роутеры прийти к соглаше
нию по этим маршрутам. Алгоритмы маршрутизации, которые сходятся
медленно, могут привести к образованию петель маршрутизации или вы
ходам из строя сети.
Гибкость
Алгоритмы маршрутизации должны быть также гибкими. Другими
словами, алгоритмы маршрутизации должны быстро и точно адаптиро
ваться к разнообразным обстоятельствам в сети. Например, предполо
жим, что сегмент сети отвергнут. Многие алгоритмы маршрутизации, по
сле того как они узнают об этой проблеме, быстро выбирают следующий
наилучший путь для всех маршрутов, которые обычно используют этот
сегмент. Алгоритмы маршрутизации могут быть запрограммированы та
ким образом, чтобы они могли адаптироваться к изменениям полосы про
пускания сети, размеров очереди к роутеру, величины задержки сети и
других переменных.
Типы алгоритмов
Алгоритмы маршрутизации могут быть классифицированы по ти
пам. Например, алгоритмы могут быть:
n Статическими или динамическими
n Одномаршрутными или многомаршрутными
n Одноуровневыми или иерархическими
n С интеллектом в главной вычислительной машине или в
роутере
n Внутридоменными и междоменными
n Алгоритмами состояния канала или вектора расстояний
Статические или динамические алгоритмы
Статические алгоритмы маршрутизации вообще вряд ли являются
алгоритмами. Распределение статических таблиц маршрутизации уста
навливается администратором сети до начала маршрутизации. Оно не ме
няется, если только администратор сети не изменит его. Алгоритмы, ис
пользующие статические маршруты, просты для разработки и хорошо
работают в окружениях, где трафик сети относительно предсказуем, а схе
Лекция 2: Объединенные сети
90
ма сети относительно проста.
Так как статические системы маршрутизации не могут реагировать
на изменения в сети, они, как правило, считаются непригодными для со
временных крупных, постоянно изменяющихся сетей. Большинство до
минирующих алгоритмов маршрутизации — динамические.
Динамические алгоритмы маршрутизации подстраиваются к изме
няющимся обстоятельствам сети в масштабе реального времени. Они вы
полняют это путем анализа поступающих сообщений об обновлении мар
шрутизации. Если в сообщении указывается, что имело место изменение
сети, программы маршрутизации пересчитывают маршруты и рассылают
новые сообщения о корректировке маршрутизации. Такие сообщения
пронизывают сеть, стимулируя роутеры заново прогонять свои алгорит
мы и соответствующим образом изменять таблицы маршрутизации. Ди
намические алгоритмы маршрутизации могут дополнять статические
маршруты там, где это уместно. Например, можно разработать «роутер
последнего обращения» (т.е. роутер, в который отсылаются все неотправ
ленные по определенному маршруту пакеты). Такой роутер выполняет
роль хранилища неотправленных пакетов, гарантируя, что все сообщения
будут хотя бы определенным образом обработаны.
Одномаршрутные или многомаршрутные алгоритмы
Некоторые сложные протоколы маршрутизации обеспечивают
множество маршрутов к одному и тому же пункту назначения. Такие мно
гомаршрутные алгоритмы делают возможной мультиплексную передачу
трафика по многочисленным линиям; одномаршрутные алгоритмы не
могут делать этого. Преимущества многомаршрутных алгоритмов очевид
ны — они могут обеспечить значительно большую пропускную способ
ность и надежность.
Одноуровневые или иерархические алгоритмы
Некоторые алгоритмы маршрутизации оперируют в плоском прост
ранстве, в то время как другие используют иерархии маршрутизации. В
одноуровневой системе маршрутизации все роутеры равны по отноше
нию друг к другу. В иерархической системе маршрутизации некоторые
роутеры формируют то, что составляет основу (backbone — базу) маршру
тизации. Пакеты из небазовых роутеров перемещаются к базовым роуте
рам и пропускаются через них до тех пор, пока не достигнут общей обла
сти пункта назначения. Начиная с этого момента, они перемещаются от
последнего базового роутера через один или несколько небазовых роуте
ров до конечного пункта назначения.
Системы маршрутизации часто устанавливают логические группы
узлов, называемых доменами, или автономными системами (AS), или об
ластями. В иерархических системах одни роутеры какоголибо домена
могут сообщаться с роутерами других доменов, в то время как другие ро
Лекция 2: Объединенные сети
91
утеры этого домена могут поддерживать связь с роутеры только в преде
лах своего домена. В очень крупных сетях могут существовать дополни
тельные иерархические уровни. Роутеры наивысшего иерархического
уровня образуют базу маршрутизации.
Основным преимуществом иерархической маршрутизации являет
ся то, что она имитирует организацию большинства компаний и следова
тельно, очень хорошо поддерживает их схемы трафика. Большая часть се
тевой связи имеет место в пределах групп небольших компаний
(доменов). Внутридоменным роутерам необходимо знать только о других
роутерах в пределах своего домена, поэтому их алгоритмы маршрутизации
могут быть упрощенными. Соответственно может быть уменьшен и тра
фик обновления маршрутизации, зависящий от используемого алгоритма
маршрутизации.
Алгоритмы с интеллектом в главной вычислительной машине или в
роутере
Некоторые алгоритмы маршрутизации предполагают, что конеч
ный узел источника определяет весь маршрут. Обычно это называют мар
шрутизацией от источника. В системах маршрутизации от источника ро
утеры действуют просто как устройства хранения и пересылки пакета, без
всякий раздумий отсылая его к следующей остановке.
Другие алгоритмы предполагают, что главные вычислительные ма
шины ничего не знают о маршрутах. При использовании этих алгоритмов
роутеры определяют маршрут через объединенную сеть, базируясь на сво
их собственных расчетах. В первой системе, рассмотренной выше, интел
лект маршрутизации находится в главной вычислительной машине. В си
стеме, рассмотренной во втором случае, интеллектом маршрутизации
наделены роутеры.
Компромисс между маршрутизацией с интеллектом в главной вы
числительной машине и маршрутизацией с интеллектом в роутере дости
гается путем сопоставления оптимальности маршрута с непроизводитель
ными затратами трафика. Системы с интеллектом в главной
вычислительной машине чаще выбирают наилучшие маршруты, так как
они, как правило, находят все возможные маршруты к пункту назначе
ния, прежде чем пакет будет действительно отослан. Затем они выбирают
наилучший маршрут, основываясь на определении оптимальности дан
ной конкретной системы. Однако акт определения всех маршрутов часто
требует значительного трафика поиска и большого объема времени.
Внутридоменные или междоменные алгоритмы
Некоторые алгоритмы маршрутизации действуют только в пределах
доменов; другие — как в пределах доменов, так и между ними. Природа
Лекция 2: Объединенные сети
92
этих двух типов алгоритмов различная. Поэтому понятно, что оптималь
ный алгоритм внутридоменной маршрутизации не обязательно будет оп
тимальным алгоритмом междоменной маршрутизации.
Алгоритмы состояния канала или вектора расстояния
Алгоритмы состояния канала (известные также как алгоритмы
«первоочередности наикратчайшего маршрута») направляют потоки мар
шрутной информации во все узлы объединенной сети. Однако каждый
роутер посылает только ту часть маршрутной таблицы, которая описыва
ет состояние его собственных каналов. Алгоритмы вектора расстояния
(известные также как алгоритмы БэлманаФорда) требуют от каждого ро
утера посылки всей или части своей маршрутной таблицы, но только сво
им соседям. Алгоритмы состояния каналов фактически направляют не
большие корректировки по всем направлениям, в то время как алгоритмы
вектора расстояний отсылают более крупные корректировки только в со
седние роутеры.
Отличаясь более быстрой сходимостью, алгоритмы состояния кана
лов несколько меньше склонны к образованию петель маршрутизации,
чем алгоритмы вектора расстояния. С другой стороны, алгоритмы состо
яния канала характеризуются более сложными расчетами в сравнении с
алгоритмами вектора расстояний, требуя большей процессорной мощно
сти и памяти, чем алгоритмы вектора расстояний. Вследствие этого, реа
лизация и поддержка алгоритмов состояния канала может быть более до
рогостоящей. Несмотря на их различия, оба типа алгоритмов хорошо
функционируют при самых различных обстоятельствах.
Показатели алгоритмов
Маршрутные таблицы содержат информацию, которую используют
программы коммутации для выбора наилучшего маршрута. В алгоритмах
маршрутизации используется много различных показателей. Сложные
алгоритмы маршрутизации при выборе маршрута могут базироваться на
множестве показателей, комбинируя их таким образом, что в результате
получается один отдельный (гибридный) показатель. Ниже перечислены
показатели, которые используются в алгоритмах маршрутизации:
n Длина маршрута
n Надежность
n Задержка
n Ширина полосы пропускания
n Нагрузка
n Стоимость связи
Лекция 2: Объединенные сети
93
Длина маршрута
Длина маршрута является наиболее общим показателем маршрути
зации. Некоторые протоколы маршрутизации позволяют администрато
рам сети назначать произвольные цены на каждый канал сети. В этом слу
чае длиной тракта является сумма расходов, связанных с каждым
каналом, который был траверсирован. Другие протоколы маршрутизации
определяют «количество пересылок», т.е. показатель, характеризующий
число проходов, которые пакет должен совершить на пути от источника
до пункта назначения через изделия объединения сетей (такие как
роутеры).
Надежность
Надежность, в контексте алгоритмов маршрутизации, относится к
надежности каждого канала сети (обычно описываемой в терминах соот
ношения бит/ошибка). Некоторые каналы сети могут отказывать чаще,
чем другие. Отказы одних каналов сети могут быть устранены легче или
быстрее, чем отказы других каналов. При назначении оценок надежнос
ти могут быть приняты в расчет любые факторы надежности. Оценки на
дежности обычно назначаются каналам сети администраторами сети. Как
правило, это произвольные цифровые величины.
Задержка
Под задержкой маршрутизации обычно понимают отрезок време
ни, необходимый для передвижения пакета от источника до пункта на
значения через объединенную сеть. Задержка зависит от многих факто
ров, включая полосу пропускания промежуточных каналов сети, очереди
в порт каждого роутера на пути передвижения пакета, перегруженность
сети на всех промежуточных каналах сети и физическое расстояние, на
которое необходимо переместить пакет. Так как здесь имеет место кон
гломерация нескольких важных переменных, задержка является наиболее
общим и полезным показателем.
Полоса пропускания
Полоса пропускания относится к имеющейся мощности трафика
какоголибо канала. При прочих равных показателях, канал Ethernet 10
Mbps предпочтителен любой арендованной линии с полосой пропуска
ния 64 Кбайт/сек. Хотя полоса пропускания является оценкой макси
мально достижимой пропускной способности канала, маршруты, прохо
дящие через каналы с большей полосой пропускания, не обязательно
будут лучше маршрутов, проходящих через менее быстродействующие
каналы.
Основы объединения сетей с помощью мостов
Серийное изготовление мостов началось в начале 1980 гг. В то вре
Лекция 2: Объединенные сети
94
мя, когда они появились, мосты объединяли гомогенные сети, делая воз
можным прохождение пакетов между ними. В последнее время объедине
ние различных сетей с помощью мостов также было определено и стан
дартизировано.
На первый план выдвинулись несколько видов объединений с по
мощью мостов. В окружениях Ethernet в основном встречается «transpar
ent bridging» (прозрачное соединение). В окружениях Token Ring в первую
очередь используется «Sourceroute bridging» (соединение маршрут ис
точник). «Translational bridging» (трансляционное соединение) обеспечи
вает трансляцию между форматами и принципами передачи различных
типов сред (обычно Ethernet и Token Ring). «Sourceroute transparent bridg
ing» (прозрачное соединение маршрутисточник) объединяет алгоритмы
прозрачного соединения и соединения маршрут источник, что позволя
ет передавать сообщения в смешанных окружениях Ethernet/Token Ring.
Уменьшающиеся цены на роутеры и введение во многие из них воз
можности соединять по мостовой схеме, сделанное в последнее время,
значительно сократило долю рынка чистых мостов. Те мосты, которые
уцелели, обладают такими характеристиками, как сложные схемы фильт
рации, псевдоинтеллектуальный выбор маршрута и высокая производи
тельность. В то время как в конце 1980 гг. шли бурные дебаты о преиму
ществах соединения с помощью мостов в сравнении с роутерами, в
настоящее время большинство пришло к выводу, что часто оба устройст
ва необходимы в любой полной схеме объединения сетей.
Сравнение устройств для объединения сетей
Устройства объединения сетей обеспечивают связь между сегмента
ми локальных сетей (LAN). Существуют 4 основных типа устройств объ
единения сетей: повторители, мосты, роутеры и межсетевые интерфейсы.
Эти устройства в самом общем виде могут быть дифференцированы тем
уровнем «Межсоединений Открытых Систем» (OSI), на котором они ус
танавливают соединение между LAN. Каждое устройство обеспечивает
функциональные возможности, соответствующие своему уровню, а также
использует функциональные возможности всех более низких уровней.
Основы технологии объединения сетей
Уровень, на котором находит применение объединение с помощью
мостов (называемый канальным уровнем), контролирует поток информа
ции, обрабатывает ошибки передачи, обеспечивает физическую (в отли
чие от логической) адресацию и управляет доступом к физической среде.
Мосты обеспечивают выполнение этих функций путем поддержки раз
личных протоколов канального уровня, которые предписывают опреде
ленный поток информации, обработку ошибок, адресацию и алгоритмы
доступа к носителю. В качестве примеров популярных протоколов ка
Лекция 2: Объединенные сети
95
нального уровня можно назвать Ethernet, Token Ring и FDDI.
Мосты — несложные устройства. Они анализируют поступающие
фреймы, принимают решение о их продвижении, базируясь на информа
ции, содержащейся в фрейме, и пересылает их к месту назначения. В не
которых случаях (например, при объединении «источникмаршрут») весь
путь к месту назначения содержится в каждом фрейме. В других случаях
(например, прозрачное объединение) фреймы продвигаются к месту на
значения отдельными пересылками, по одной за раз.
Основным преимуществом объединения с помощью мостов являет
ся прозрачность протоколов верхних уровней. Так как мосты оперируют
на канальном уровне, от них не требуется проверки информации высших
уровней. Это означает, что они могут быстро продвигать трафик, пред
ставляющий любой протокол сетевого уровня. Обычным делом для мос
та является продвижение Apple Talk, DECnet, TCP/IP, XNS и другого тра
фика между двумя и более сетями.
Мосты способны фильтровать фреймы, базирующиеся на любых
полях. Например, мост можно запрограммировать так, чтобы он отвергал
(т.е. не пропускал) все фреймы, посылаемые из определенной сети. Так
как в информацию канального уровня часто включается ссылка на прото
кол высшего уровня, мосты обычно фильтруют по этому параметру. Кро
ме того, мосты могут быть полезны, когда они имеют дело с необязатель
ной информацией пакетов широкой рассылки.
Разделяя крупные сети на автономные блоки, мосты обеспечивают
ряд преимуществ. Вопервых, поскольку пересылается лишь некоторый
процент трафика, мосты уменьшают трафик, проходящий через устрой
ства всех соединенных сегментов. Вовторых, мосты действуют как не
преодолимая преграда для некоторых потенциально опасных для сети не
исправностей. Втретьих, мосты позволяют осуществлять связь между
большим числом устройств, чем ее можно было бы обеспечить на любой
LAN, подсоединенной к мосту, если бы она была независима. Вчетвер
тых, мосты увеличивают эффективную длину LAN, позволяя подключать
еще не подсоединенные отдаленные станции.
Типы мостов
Мосты можно сгруппировать в категории, базирующиеся на раз
личных характеристиках изделий. В соответствии с одной из популярных
схем классификации мосты бывают локальные и дистанционные. Ло
кальные мосты обеспечивают прямое соединение множества сегментов
LAN, находящихся на одной территории. Дистанционные мосты соеди
няют множество сегментов LAN на различных территориях, обычно через
телекоммуникационные линии.
Лекция 2: Объединенные сети
96
Дистанционное мостовое соединение представляет ряд уникальных
трудностей объединения сетей. Одна из них — разница между скоростя
ми LAN и WAN (глобальная сеть). Хотя в последнее время в географиче
ски рассредоточенных объединенных сетях появилось несколько техно
логий быстродействующих WAN, скорости LAN часто на порядок выше
скоростей WAN. Большая разница скоростей LAN и WAN иногда не поз
воляет пользователям прогонять через WAN применения LAN, чувстви
тельные к задержкам.
Дистанционные мосты не могут увеличить скорость WAN, однако
они могут компенсировать несоответствия в скоростях путем использова
ния достаточных буферных мощностей. Если какоелибо устройство
LAN, способной передавать со скоростью 3 Mb/сек, намерено связаться с
одним из устройств отдаленной LAN, то локальный мост должен регули
ровать поток информации, передаваемой со скоростью 3Mb/сек, чтобы
не переполнить последовательный канал, который пропускает 64 Kb/сек.
Это достигается путем накопления поступающей информации в располо
женных на плате буферах и посылки ее через последовательный канал со
скоростью, которую он может обеспечить. Это осуществимо только для
коротких пакетов информации, которые не переполняют буферные мощ
ности моста.
IEEE (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектрони
ке) поделил канальный уровень OSI на два отдельных подуровня: подуро
вень MAC (Управление доступом к носителю) и подуровень LLC (Управ
ление логическим каналом). МАС разрешает и оркестрирует доступ к
носителю (Например, конфликтные ситуации, эстафетная передача и
др.), в то время как подуровень LLC занят кадрированием, управлением
потоком информации, управлением неисправностями и адресацией по
дуровня МАС.
Некоторые мосты являются мостами подуровня МАС. Эти устрой
ства образуют мост между гомогенными сетями (например, IEEE 802.3 и
IEEE 802.3). Другие мосты могут осуществлять трансляцию между раз
личными протоколами канального уровня (например, IEEE 802.3 и IEEE
802.5).
Трансляция, осуществляемая мостом между различными типами
сетей, никогда не бывает безупречной, так как всегда имеется вероят
ность, что одна сеть поддержит определенный фрейм, который не поддер
живается другой сетью. Эту ситуацию можно считать примерно аналогич
ной проблеме, с которой сталкивается эскимос, пытающийся перевести
на английский некоторые слова из тех 50 слов, которые обозначают
«снег».
Ethernet/IEEE
Лекция 2: Объединенные сети
97