Функционирование маршрутизаторов
Аннотация: Рассмотрены принципы назначения IP-адресов статически администратором и динамически. Приведены примеры использования физических и логических адресов при передаче данных по сети. Рассмотрен формат пакета сетевого протокола IP.
8.1. Назначение IP-адресов
Назначение IP -адреса может производиться администратором вручную или с помощью DHCP -сервера. Вручную назначаются адреса сетевым принтерам , серверам и интерфейсам маршрутизаторов. Варианты назначения адреса вручную могут иметь незначительные различия в зависимости от используемой в компьютере операционной системы. Обычно в главном меню компьютера необходимо последовательно выбрать следующие опции:
«Пуск», «Настройка», «Панель управления», «Сетевые подключения», «Подключение по локальной сети».
Во всплывшем окне ( рис. 8.1а) выбрать «Свойства». В следующем окне выбрать «Протокол Интернета (TCP/IP)» ( рис. 8.1б), затем «Свойства»
После этого необходимо назначить IP — адрес , маску подсети и основной шлюз по умолчанию ( рис. 8.2).
Протоколами автоматического назначения IP-адреса устройств (хостов – host ) являются Reverse Address Resolution Protocol ( RARP ), протокол начальной загрузки ( BOOTstrap Protocol – BOOTP ) и протокол динамического конфигурирования узлов Dynamic Host Configuration Protocol ( DHCP ). В настоящее время главным образом используется протокол DHCP , который позволяет узлу динамически без участия администратора получать IP — адрес . Нужно только определить диапазон IP -адресов на DHCP -сервере.
Для запроса IP -адреса узел посылает в локальную сеть ( рис. 8.3) запрос с широковещательным IP -адресом назначения – 255.255.255.255 и МАС-адресом – FF:FF:FF:FF:FF:FF. В качестве МАС-адреса источника в запросе указывается адрес запрашивающего узла 01:AA:11:AA:11:AA. Такой запрос поступает на все устройства сети, в том числе на сервер DHCP . Все устройства отбрасывают пакет с запросом, за исключением сервера, который опознает запрос .
При получении запроса DHCP — сервер формирует ответ с широковещательным адресом назначения, в ответе указывается выделяемый в аренду узлу IP — адрес . В заголовке ответа в качестве МАС-адреса назначения указывается адрес запрашивающего узла (01:AA:11:AA:11:AA). Поэтому все устройства отбрасывают пакет с ответом, за исключением узла, пославшего запрос . Кроме выделяемого в аренду IP -адреса в ответе DHCP -сервера содержится адрес основного шлюза по умолчанию и другая информация . На рис. 8.3 основной шлюз имеет IP — адрес 192.168.1.1 и MAC-адрес 01:EE:55:ЕЕ:55:EE. Важным свойством DHCP является способность выделять IP — адрес в аренду динамически, т. е. сервер может изымать неиспользуемый адрес , а затем восстанавливать пользователю адрес , который использовался ранее.
8.2. Передача данных в сетях с маршрутизаторами
Процесс передачи данных рассмотрен на примере сети ( рис. 8.4) от узла Host X до узла Host Y через маршрутизаторы A, B, C. Маршрутизаторы соединены между собой через порты Fast Ethernet , номера которых также приведены на рисунке. Интерфейсы Fast Ethernet характеризуются физическими МАС-адресами и логическими IP -адресами. Адреса узлов и интерфейсов маршрутизаторов, задействованных в процессе передачи, приведены в таблице 8.1. Сетевая маска во всех сетях задана одинаковой и равной 255.255.255.0.
| Устройство | Интерфейс | IP-адрес | МАС-адрес |
| Host X | F0/0 | 172.16.10.11 | 011ABC123456 |
| Router_A | F0/1 | 172.16.10.1 | 0001AAAA1111 |
| F0/2 | 198.20.20.5 | 0002AAAA2222 | |
| Router_B | F0/1 | 198.20.20.6 | 0001BBBB1111 |
| F0/2 | 199.30.30.9 | 0002BBBB2222 | |
| Router_C | F0/1 | 199.30.30.10 | 0001CCCC1111 |
| F0/2 | 200.40.40.1 | 0002CCCC2222 | |
| Host Y | F0/0 | 200.40.40.7 | 022DEF123456 |
Сообщение, сформированное протоколами верхних уровней компьютера Host X, поступает на сетевой уровень , где IP -протокол формирует пакет данных. Поскольку адрес назначения 200.40.40.7 не относится к сети 172.16.10.0, в которой находится Host X, необходима маршрутизация .
| Заголовок пакета | Поле данных | ||
|---|---|---|---|
| Первые поля заголовка пакета | IP-адрес узла назначения 200.40.40.7 | IP адрес узла источника 172.16.10.11 | Data |
| Пакет данных | |||
На канальном уровне узел Host X инкапсулирует сформированный пакет в кадр соответствующей технологии, например, Fast Ethernet . В заголовке кадра наряду с другой информацией указываются МАС-адреса источника и назначения. МАС- адрес источника в данном примере будет 011ABC123456. Поскольку МАС- адрес узла-получателя Host Y компьютеру Host X неизвестен, узел Host X обращается к таблице ARP . Узел не находит соответствующей записи в таблице ARP , поэтому он посылает в локальную сеть широковещательный ARP — запрос , в котором задает сетевой логический IP — адрес устройства назначения – 200.40.40.7. Адресат назначения находится за пределами локальной сети 172.16.10.0. Поскольку маршрутизаторы не транслируют широковещательные запросы в другие сегменты сети, в этом случае маршрутизатор в ответ на запрос посылает ARP -ответ с MAC-адресом своего входного интерфейса, на который поступил запрос . Входной интерфейс играет роль основного шлюза по умолчанию. ARP -протокол обращается к соответствующей строке таблицы и отвечает МАС-адресом 0001AAAA1111.
В соответствии с полученным МАС-адресом 0001AAAA1111 формируется кадр , который по физической среде передается в маршрутизатор Router_A:
| Заголовок кадра | Заголовок пакета | Поле данных | ||
|---|---|---|---|---|
| МАС-адрес узла назначения 0001AAAA1111 | МАС-адрес узла источника 011ABC123456 | IP- адрес узла назначения 200.40.40.7 | IP-адрес узла источника 172.16.10.11 | Data |
| Кадр данных | ||||
В маршрутизаторе Router_A из кадра извлекается (декапсулируется) пакет данных. Производится логическое умножение IP -адреса назначения на маску и определяется сеть назначения. Затем происходит обращение к таблице маршрутизации , в соответствии с которой определяется адрес входного порта следующего маршрутизатора Router_В ( адрес следующего перехода) и выходной интерфейс маршрутизатора Router_A. При этом формируется новый пакет, который продвигается к выходному Fast Ethernet порту F0/2 маршрутизатора Router_A. В новом пакете изменяются некоторые поля заголовка, но IP -адреса источника и узла назначения остаются неизменными:
| Заголовок пакета | Поле данных | ||
|---|---|---|---|
| Первые поля заголовка пакета | IP-адрес узла назначения 200.40.40.7 | IP адрес узла источника 172.16.10.11 | Data |
| Пакет данных | |||
Затем пакет инкапсулируется в новый кадр , в качестве МАС-адреса узла источника будет использоваться физический адрес выходного интерфейса F0/2 – 0002AAAA2222. МАС- адрес узла назначения определяется с помощью ARP -протокола, как было описано выше. МАС-адресом узла назначения будет физический адрес входного интерфейса маршрутизатора Router_В – 0001BBBB1111.
Новый кадр передается на входной порт маршрутизатора Router_В:
| Заголовок кадра | Заголовок пакета | Поле данных | ||
|---|---|---|---|---|
| МАС-адрес узла назначения 0001BBBB1111 | МАС-адрес узла источника 0002AAAA2222 | IP- адрес узла назначения 200.40.40.7 | IP-адрес узла источника 172.16.10.11 | Data |
| Кадр данных | ||||
Приняв кадр , маршрутизатор Router_В извлекает из него пакет данных и с применением маски и таблицы маршрутизации определяет выходной интерфейс . Пакет инкапсулируется в новый кадр , который передается с новыми МАС-адресами источника и назначения в маршрутизатор Router_С:
| Заголовок кадра | Заголовок пакета | Поле данных | ||
|---|---|---|---|---|
| МАС-адрес узла назначения 0001CCCC1111 | МАС-адрес узла источника 0002BBBB2222 | IP- адрес узла назначения 200.40.40.7 | IP-адрес узла источника 172.16.10.11 | Data |
| Кадр данных | ||||
В маршрутизаторе Router_С, так же как в Router_А и Router_В, формируются новый пакет и кадр . Поскольку адресат назначения находится в сети, непосредственно присоединенной к интерфейсу F0/2 маршрутизатора Router_С, кадр передается узлу назначения Host Y:
| Заголовок кадра | Заголовок пакета | Поле данных | ||
|---|---|---|---|---|
| МАС-адрес узла назначения 022DEF123456 | МАС-адрес узла источника 0002CCCC2222 | IP- адрес узла назначения 200.40.40.7 | IP-адрес узла источника 172.16.10.11 | Data |
| Кадр данных | ||||
Протокол сетевого уровня узла Host Y извлекает из кадра пакет данных. Если пакет при передаче был фрагментирован, из фрагментов формируется целый пакет и через соответствующий интерфейс направляется на транспортный уровень , где из пакетов извлекаются сегменты данных, а из сегментов формируется сообщение.
При передаче данных через соединения » точка-точка » (см. например, схемы рис. 6.5) заголовок кадра может быть существенно упрощен, т. к. интерфейсы непосредственно связаны между собой, поэтому отпадает необходимость задания МАС-адресов узла источника и узла назначения. Примером может служить протокол Point-to-Point.
На пути кадра к устройству назначения его заголовок и трейлер изменяются при прохождении через каждое устройство 3-го уровня составной сети, например через маршрутизатор . Это происходит вследствие того, что в кадре используется локальная адресация 2-го уровня, а пакеты адресуются с применением логического адреса 3-го уровня и в пакете задается конечный адрес узла назначения. Таким образом, при передаче данных через составную сеть IP-адреса узла назначения и узла источника остаются неизменными, МАС-адреса назначения и источника меняются при прохождении каждого маршрутизатора.
Всякий раз при формировании кадра вычисляется контрольная сумма, которая записывается в поле FCS трейлера кадра. При приеме кадра на каждом входном интерфейсе всех устройств на пути к адресату назначения вновь вычисляется контрольная сумма , которая сравнивается с принятой в трейлере. Правильность принятых данных проверяется с использованием циклического кода CRC . Если расчетный результат и контрольная сумма не совпадают, то кадр отбрасывается. При положительном результате сравнения из кадра извлекается пакет, который проверяется, предназначен ли пакет сетям, прямо присоединенным к данному маршрутизатору, или его надо передать другому устройству составной сети .
Если пакет необходимо маршрутизировать, IP — адрес сети назначения сравнивается с таблицей маршрутизации . При нахождении соответствующей записи в таблице пакет будет переслан на интерфейс , определенный в строке таблицы маршрутизации . Когда пакет коммутируется на выходной интерфейс , формируется новый кадр с новым заголовком и новым значением CRC в трейлере. Кадр затем передается в новый домен на пути к адресату назначения.