Маршрутизаторы, их основные функции и характеристики.
Маршрутизатор — сетевое устройство, пересылающее пакеты данных между различными сегментами сети и принимающее решения на основании информации о топологии сети и определённых правил, заданных администратором.
Основная задача маршрутизатора — выбор наилучшего маршрута в сети — часто является достаточно сложной с математической точки зрения.
Маршрутизаторы помогают уменьшить загрузку сети, благодаря её разделению на домены коллизий или широковещательные домены, а также благодаря фильтрации пакетов. В основном их применяют для объединения сетей разных типов, зачастую несовместимых по архитектуре и протоколам, например для объединения локальных сетей Ethernet и WAN-соединений, использующих протоколы xDSL, PPP, ATM, Frame relay и т. д. Нередко маршрутизатор используется для обеспечения доступа из локальной сети в глобальную сеть Интернет, осуществляя функции трансляции адресов и межсетевого экрана.
Основная функция маршрутизатора — чтение заголовков пакетов сетевых протоколов, принимаемых и буферизуемых по каждому порту (например, IPX, IP, AppleTalk или DECnet), и принятие решения о дальнейшем маршруте следования пакета по его сетевому адресу, включающему, как правило, номер сети и номер узла.
Основные технические характеристики маршрутизатора:
- Перечень поддерживаемых сетевых протоколов. Перечень поддерживаемых сетевых протоколов обычно включает протоколы IP, CONS и CLNS OSI, IPX, AppleTalk, DECnet, Banyan VINES, Xerox XNS. Перечень протоколов маршрутизации составляют протоколы IP RIP, IPX RIP, NLSP, OSPF, IS-IS OSI, EGP, BGP, VINES RTP, AppleTalk RTMP.
- Перечень поддерживаемых интерфейсов локальных и глобальных сетей. Для локальных сетей — это интерфейсы, реализующие физические и канальные протоколы сетей Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN иАТМ.
- Общая производительность маршрутизатора. Высокая производительность маршрутизации важна для работы с высокоскоростными локальными сетями. Общая производительность маршрутизатора зависит от многих факторов, наиболее важными из которых являются: тип используемых процессоров, эффективность программной реализации протоколов, архитектурная организация вычислительных и интерфейсных модулей. Общая производительность маршрутизаторов колеблется от нескольких десятков тысяч пакетов в секунду до нескольких миллионов пакетов в секунду. Наиболее производительные маршрутизаторы имеют мультипроцессорную архитектуру, сочетающую симметричные и асимметричные свойства — несколько мощных центральных процессоров по симметричной схеме выполняют функции вычисления таблицы маршрутизации, а менее мощные процессоры в интерфейсных модулях занимаются передачей пакетов на подключенные к ним сети и пересылкой пакетов на основании части таблицы маршрутизации, кэшированной в локальной памяти интерфейсного модуля.
Протоколы и алгоритмы маршрутизации. Основные метрики алгоритмов маршрутизации.
В общедоступном значении слова маршрутизация означает передвижение информации от источника к пункту назначения через сеть. При этом, как правило, на пути информационного пакета встречается по крайней мере один узел.
Внутренние протоколы маршрутизации
- ПротоколGGP (Gateway to Gateway Protocol, RFC 823) был разработан и реализован фирмой BBN для первых экспериментальных шлюзов сети Internet. Он до сих пор используется в шлюзах фирмы BBN LSI/11, хотя считается, что GGP имеет серьёзные недостатки и позднее был заменён на алгоритм SPF. Алгоритм протокола GGP определяет маршрут с минимальным числом переприёмов, т.е. его мерой длины является просто число транзитных участков сети между парами шлюзов.
- ПротоколRIP (Routing Information Protocol, RFC 1058, 1581, 1582, 1724) часто используется для класса протоколов маршрутизации, базирующихся на протоколах XNS (Xerox Network System — сетевая система Xerox) фирмы Xerox. В качестве метрики маршрутизации RIP использует число скачков (шагов) до цели. Такой вид метрики не учитывает различий в пропускной способности или загруженности отдельных сегментов сети.
- Протокол “HELLO”. Программное обеспечение Fuzzball для шлюза LSI/11 включает в себя реализацию протокола IGP под названием “HELLO”. В отличие от RIP в нём критерием выбора маршрута служит время, а не расстояние, поэтому “HELLO” требует достаточно точной синхронизации служб времени шлюзов.
- ПротоколOSPF (Open Shortest Path First, RFC 1850, 1583, 1584, 1587) представляет собой протокол состояния маршрута, причём в качестве метрики используется коэффициент качества обслуживания.
- Протокол IS-IS. Учитывая, с одной стороны, широкое распространение сетей с архитектурой TCP/IP, с другой стороны, повышенное внимание правительственных и коммерческих организаций к архитектуре ЭМВОС (Эталонная модель взаимодействия открытых систем). Протокол IS-IS (Intermediate System to Intermediate System Protocol, RFC 1195) обеспечивает поддержку понятий IP-подсети, переменной маски подсети, маршрутизацию на основе значения поля «Тип сервиса» в заголовке IP-пакета и понятие внешнего маршрута. Протокол IS-IS является динамическим протоколом маршрутизации, построенным на основе SPF-алгоритма.
Внешние протоколы маршрутизации
- ПротоколEGP (Exterior Gateway Protocol) один из известных протоколов этого типа (RFC 827, 888, 904, 911, 1092, 1093). Главным преимуществом такой модели считалась невозможность образования в древовидной топологической структуре циклических маршрутов между автономными системами. С помощью протокола EGP шлюзы могут снабжать друг друга информацией о достижимости соседних шлюзов и о маршрутах к соседним шлюзам. При этом динамическое вычисление маршрутов выполняется только шлюзами магистральной автономной системы, и затем результаты могут быть сообщены немагистральным шлюзам.
- Протокол BGP (Border Gateway Protocol, RFC 1267) — это протокол маршрутизации между автономными системами в сети Internet; он построен на основе опыта, накопленного при эксплуатации протокола EGP. Главная цель BGP — сократить транзитный трафик. Протокол BGP использует расширенное понятие автономной системы. В данном случае внутри автономной системы шлюзы могут использовать несколько различных протоколов маршрутизации и несколько метрик. Однако внутри автономной системы должен существовать единый план маршрутизации, позволяющий рассматривать автономную систему как единое целое.
Алгоритмы маршрутизации заполняют маршрутные таблицы информацией о маршрутах. Ассоциации «пункт назначения — следующая пересылка» сообщают роутеру, что определенный пункт назначения может быть оптимально достигнут путем отправки пакета в определенный роутер, представляющий «следующую пересылку» на пути к конечному пункту назначения. В маршрутных таблицах может содержаться также и другая информация, как правило, это — различные характеристики канала (способа пересылки данных). Значения полей «характеристик» содержит информацию о желательности какого-либо канала или тракта. Роутеры сравнивают эти показатели, чтобы определить оптимальные маршруты. Показатели отличаются друг от друга в зависимости от используемой схемы алгоритма маршрутизации.
Маршрутизаторы взаимодействуют друг с другом (и поддерживают свои маршрутные таблицы) путем передачи различных сообщений. Анализируя информацию сообщений, поступающую от всех маршрутизаторов, любой из них может построить детальную картину топологии сети. После того, как топология сети становится понятной, маршрутизаторы могут определить оптимальные маршруты к пунктам назначения и использовать их при передаче данных.
Существуют статические и динамические алгоритмы обновления таблицы.
Статический алгоритм есть способ маршрутизации, не изменяющийся при изменении топологии и состояния сети. Примерами являются алгоритмы случайной и лавинной маршрутизации.
- Случайная маршрутизация — передача данных из узла в любом, случайным образом выбранном направлении, кроме направления, по которому данные поступили в узел. Данные, совершая «блуждания» по сети с конечной вероятностью когда-либо достигают адресата.
- Лавинная маршрутизация — передача данных из узла во всех направлениях, кроме того, по которому поступили данные. Очевидно, что хотя бы одно направление обеспечит доставку пакета за минимальное время, т.е. лавинная маршрутизация гарантирует малое время доставки.
Шлюзы, входящие в состав одной автономной системы, могут выполнять алгоритм динамической маршрутизации — протоколы на основе алгоритма Беллмана-Форда и протоколы на основе алгоритма Дейкстры. Каждой дуге графа ставится в соответствие действительное число, называемое длиной дуги; тогда длина пути определяется суммой длин составляющих его дуг. Обычно это число переприёмов или средняя задержка пакетов, но возможны и другие метрики, например, пропускная способность канала связи, надёжность.
Метрики в алгоритмах маршрутизации:
- Длина маршрута.
- Надежность.
- Задержка. Под задержкой маршрутизации обычно понимают отрезок времени, необходимый для передвижения пакета от источника до пункта назначения через объединенную сеть.
- Ширина полосы пропускания.
- Нагрузка.
- Стоимость связи.
VLAN (Virtual Local Area Network) — виртуальная локальная компьютерная сеть, представляет собой группу хостов с общим набором требований, которые взаимодействуют так, как если бы они были подключены к широковещательному домену, независимо от их физического местонахождения. VLAN имеет те же свойства, что и физическая локальная сеть, но позволяет конечным станциям группироваться вместе, даже если они не находятся в одной физической сети. Такая реорганизация может быть сделана на основе программного обеспечения вместо физического перемещения устройств.
Кроме своего основного назначения — повышения пропускной способности связей в сети — коммутатор позволяет локализовывать потоки информации в сети, а также контролировать эти потоки и управлять ими, используя пользовательские фильтры. Однако, пользовательский фильтр может запретить передачи кадров только по конкретным адресам, а широковещательный трафик он передает всем сегментам сети. Так требует алгоритм работы моста, который реализован в коммутаторе, поэтому сети, созданные на основе мостов и коммутаторов иногда называют плоскими — из-за отсутствия барьеров на пути широковещательного трафика.
Технология виртуальных сетей (Virtual LAN, VLAN) позволяет преодолеть указанное ограничение. Виртуальной сетью называется группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между разными виртуальными сегментами на основании адреса канального уровня невозможна, независимо от типа адреса — уникального, группового или широковещательного. В то же время внутри виртуальной сети кадры передаются по технологии коммутации, то есть только на тот порт, который связан с адресом назначения кадра.
Назначение технологии виртуальных сетей состоит в облегчении процесса создания независимых сетей, которые затем должны связываться с помощью протоколов сетевого уровня.
При использовании технологии виртуальных сетей в коммутаторах одновременно решаются две задачи:
- повышение производительности в каждой из виртуальных сетей, так как коммутатор передает кадры в такой сети только узлу назначения;
- изоляция сетей друг от друга для управления правами доступа пользователей и создания защитных барьеров на пути широковещательных штормов.