Коммутация пакетов в маршрутизаторе

Нужно знать: про маршрутизацию и коммутацию

Сетевая индустрия использует множество терминов и понятий для описания коммутации и маршрутизации, потому что многие термины пересекаются в определениях этих понятий. Это может сбить с толку. Работает ли маршрутизатор маршрутизатором или коммутатором? В чем разница между коммутацией на 3 уровне (L3) и маршрутизацией?

Что бы найти ответы на эти вопросы необходимо разобраться, что происходит с пакетом, когда он проходит через сеть.

Понимание широковещательных и коллизионных доменов

Два основных понятия, которые вы должны понять.

Коммутация. Понятие широковещательного домена и домена коллизий

На рисунке изображена простая сеть, иллюстрирующая эти два понятия.

Домен коллизий определяется как набор хостов, подключенных к сети. В некоторых случаях хосты одновременно не буду передавать пакеты из-за возможного столкновения последних.

Например, если Хост А и хост Б соединены прямым проводом, то они не смогут передавать пакеты одновременно. Однако, если между хостами установлено какое-то физическое устройств, то одновременная передача данных возможна, так как они находятся в отдельных доменах коллизий.

Широковещательный домен-это набор хостов, которые могут обмениваться данными, просто отправляя данные на 2 уровне(L2). Если узел A посылает широковещательный пакет для всех хостов, по локальной сети, и хост B получает его, эти два хоста находятся в одном широковещательном домене.

Широковещательный домен и домен коллизий

Мостовое соединение создает домен коллизий, но не широковещательный домен.

Традиционная коммутация пакетов и мостовое соединение- технически- это одно и то же. Основное различие заключается в том, что в большинстве коммутируемых сред каждое устройство, подключенное к сети, находится в отдельном домене коллизий.

Что же изменяется в формате типичного пакета, когда он проходит через коммутатор?

Рисунок не показывает измения в формате пакетов данных прошедших через коммутатор

Вообще, устройства по обе стороны от коммутатора не «видят», что между ними есть коммутатор, они также не знают назначения своих пакетов; коммутаторы прозрачны для устройств подключенных к сети.

Если узел А хочет отправить пакет на ip-адресс 192.168.1.2 (узел B), он отправляет в эфир широковещательный запрос для всех узлов, подключенных к тому же сегменту сети, запрашивает MAC-адрес хоста с IP-адресом 192.168.1.2 (это называется Address Resolution Protocol (ARP)). Так как узел B находится в том же широковещательном домене, что и узел A, узел A может быть уверен, что узел B получит этот широковещательный запрос и отправит ответный пакет с верным MAC-адресом для обмена пакетами.

Широковещательные домены и домены коллизии в маршрутизации

Сеть построена на основе маршрутизатора не создает широковещательный домен и домен коллизий данная схема приведена на рисунке:

Возникает вопрос, как пакет отправленный с хоста А достигнет хост Б с ip-адресом 192.168.2.1? Хост Ане может отправить широковещательный пакет для обнаружения адреса узла B, поэтому он должен использовать какой-то другой метод чтобы выяснить, как добраться до этого пункта назначения. Откуда узел А знает об этом? Обратите внимание, что после каждого IP-адреса на рисунке выше, есть значение / 24. Это число указывает длину префикса, или количество битов, установленных в маске подсети. Хост А может использовать эту информацию для определения что хост B не находится в том же широковещательном домене (не в том же сегменте), и хост A должен использовать определенный метод маршрутизации для достижения цели, как показано на рисунке ниже.

Теперь, когда хост A знает, что хост B не находится в том же широковещательном домене, что и он, он не может отправить широковещательный запрос для получения адреса хоста B. Как, тогда, пакету, отправленному с узла А, добраться до узла B?

Отправляя свои пакеты к промежуточному маршрутизатору, Хост A помещает в заголовок пакета IP-адрес хоста B, а также еще MAC-адрес промежуточного маршрутизатора, как показано на рисунке.

Узел А помещает MAC-адрес маршрутизатора в заголовок пакета. Маршрутизатор принимает этот пакет, приходящий из сети. Далее маршрутизатор проверяет IP-адрес назначения и определяет, какой наиболее короткий маршрут построить и сравнивает данные из пакета с таблицей маршрутизации (в данном случае сравниваются данные хоста B), и заменяет MAC-адрес правильным MAC-адресом для следующего перехода. Затем маршрутизатор пересылает пакет в другой сегмент, который находится в другом широковещательном домене.

Коммутация L3

Коммутация 3 уровня очень похожа на маршрутизацию, как показано на рисунке ниже (обратите внимание, что это то же самое, что изображено на рисунке выше). Это связано с тем, что коммутация 3 уровня является маршрутизируемой; Нет никакой функциональной разницы между коммутацией 3 уровня и маршрутизацией.

Источник

5. Коммутация каналов, коммутация пакетов, коммутация сообщений, маршрутизация.

Сущ 2 фундаментальных подхода в организации ядра сети: коммутация каналов(телефонная сеть) икоммутация пакетов (современный И). При коммутации каналов происходит резервирование на время сеанса связи необходимых ресурсов (буферов, диапазонов частот) на всем сетевом пути. При коммутации пакетов ресурсы запрашиваются при необходимости и выделяются по требованию.

Существует два класса сетей с коммутацией пакетов: с виртуальным каналом (Virtual Channel), Дейтаграммные (Datagram). Примеры дейтаграммных сетей: Internet на базе IP, X.25, Frame Relay, ATM.Сети с виртуальными каналами. Виртуальный канал устанавливается перед началом соединения и является единственным маршрутом для данного соединения. Динамический виртуальный канал устанавливается путем посылки запроса на соединение, которое проходит через коммутаторы и прокладывает виртуальный канал. При этом, коммутаторы запоминают маршрут и именно по нему пересылают все последующие пакеты. Статический виртуальный канал создается администраторами, путем ручной настройки. При отказе одного из элементов маршрута, соединение разрывается и виртуальный канал нужно прокладывать заново (это основное отличие от дейтаграммных сетей).Дейтаграммныесети — аналогичны обычной почте. Пакет помещается в своеобразный конверт (заголовок пакета содержит адрес назначения), который имеет иерархическую структуру. По прибытии пакета на маршрутизатор, он сравнивает соответствующую часть адреса назначения и отправляет пакет к следующему маршрутизатору.

устанавливается соединение — Д

Мультиплексирование в сетях с коммутацией каналов: Каждый канал связи в линии связи организовывается при помощичастотного(отводится определенная полоса частот, которая не изменяется в течении всего сеанса) либовременногоразделения (время разбивается на равные промежутки — кадры, каждый кадр на фиксированное число слотов, суть в закреплении за каждой парой абонентов одного временного слота в каждом кадре),разделение по коду(каждый канал кодируется своим кодом) (радиоканалы). Недостаток — выделенные каналы связи нельзя освободить в периодыпростоя. И необходимость в сложном сигнальном оборудовании для управления коммутациями и выделения частотных полос каналам связи.

Коммутация пакетов: В современные компьютерных сетях происходит автоматическое разбиение больших по объему сообщений на более мелкие фрагменты —пакеты— единица передачи данных. При передаче пакет проходит через последовательность линий связи коммутаторов, обычно называемыхмаршрутизаторами. Передача по линии связи осуществляется с максимальной скоростью, которую способна обеспечить линяя связи. Большинство маршрутизаторов используют механизм

передачи с промежуточным накоплением(перед тем как начать передачу, необходимо завершить процесс приема пакета в буфер). ТО возникаетзадержка накопления, обусловленная необх-ю ожидания окончания приема пакета. Если пакет длинойLбит, аRбит/с — скорость выходной линии связи, то задержкаL/Rс.

Каждый маршрутизатор имеет мн-во входных и выходных линий связи. Каждая выходная линия имеет выходной буфер(иливыходная очередь) — хранятся пакеты дл отправки. Если при окончании приема пакета линия занята, то его помещают в очередь выходного буфера. ТО присутствуетзадержка ожидания. (зависит от нагрузки линии связи). Т.к. размеры буферов ограничены, места может не хватить — может произойтипотеря пакеталибо уже стоящего в очереди, либо нового.статическое мультиплексирование— невозможность предсказать очередность пакетов при одновременной передачи пакетов 2 хостами.Для пересылки пакета длинойLбит между хостами при коммутации пакетов. ПустьQ- число линий связи, каждая обладает скоростьюRбит/с. (задержки ожидания и распространения в сети отсутствуют). Общее время пересылкиQL/Rc. (для 1 -L/R…Q-1).

Коммутация пакетов не позволяет организовать передачу в реальном времени, эффективная организация разделения пропускной способности линии связи, простая, эффективная, менее дорогостоящая.

Пример: Пусть есть линия связи с пропускной способностью 1 Мбит/с. Каждый пользователь может пересылать данные со скоростью 10Кбит/с, либо находиться в состоянии простоя. Пусть

пользователь активен 10% от общего времени. Если коммутация каналов: сеть может обслуживать одновременно только 10 пользователей (зарезервирована линия на сеанс).

Если коммутация пакетов: вероятность наличия в сети одновременно активных 11 пользователей, при условии что общее число пользователей 35, составляет 0004. ТО вероятность. что в сети не более 20 пользователей — 0,9996, все пакеты будут проходить через сеть без задержек. При превышении порога в 10 активных пользователей в сети будут наблюдаться перегрузки, которые приведут к появлению и росту очередей пакетов, когда число акт польз упадет ниже 10, очереди станут уменьшаться. Из приведенных расчетов следует, что с вероятностью близкой к 1, сеть с коммутацией пакетов не приведет к дополнительным ожиданиям, обслуживая более чем втрое больше пользователей, чем сеть с коммутацией пакетов.

Сегментирование сообщений: в большинстве современных сетей с коммутацией пакетов передающий хост разбивает длинные сообщений, генерируемые приложениями на более мелкие пакеты, они доставляются адресату, которой собирает из них исходное сообщение. Если в сети с коммутацией пакетов не производится сегментирование исходных сообщений (сообщения передаются целиком), то говорят, что сеть функционирует в режимекоммутации сообщений.

Когда сообщение разбито на пакеты, говорят о конвейерной передачесообщения, то есть параллельной (одновременной) передачи его фрагментов (пакетов) по различным линиям связи.

Пример: Сообщение 7.5 Мбит, скорость 15 Мбит/с

A—-R1—-R2—-B- все каналы имеют одинаковую пропускную способность.

5

Источник