Лекция 12
Маршрутизатор. Назначение, область применения, функции, пример соединения. Различие между мостами и маршрутизаторами. Маршрутизируемые протоколы. Выбор маршрута. Алгоритмы маршрутизации, протоколы RIP и OSPF. Типы маршрутизаторов.
Маршрутизатор – это устройство сетевого уровня, использующее одну или более метрик для определения оптимального пути передачи сетевого трафика на основании информации сетевого уровня. Из этого определения вытекает, что маршрутизатор, прежде всего, необходим для определения дальнейшего пути данных, посланных в большую и сложную сеть. Пользователь такой сети отправляет свои данные в сеть и указывает адрес своего абонента. И все. Данные проходят по сети и в точках с разветвлением маршрутов поступают на маршрутизаторы, которые как раз и устанавливаются в таких точках. Маршрутизатор выбирает дальнейший наилучший путь. То, какой путь лучше, определяется количественными характеристиками, которые называются метриками. Лучший путь – это путь с наименьшей метрикой. В метрике может учитываться несколько показателей, например, длина пути, время прохождения и т.д.
Другими словами, маршрутизатор – это устройство объединения сетей различного типа, которое работает на сетевом уровне и оперирует межсетевыми адресами IP или IPX. Маршрутизаторы – это чаще всего специализированные, с устройствами ввода-вывода, компьютеры со специальным программным обеспечением. Маршрутизатор может быть программным – это программное обеспечение, работающее на компьютере общего назначения, как правило, на сетевом сервере.
Основное назначение маршрутизаторов заключается в пересылке пакетов по их сетевым иерархическим адресам, обеспечении безопасности передаваемой информации, управлении трафиком и предоставлении необходимого качества обслуживания. Кроме того, они могут выполнять ряд дополнительных функций.
- Обеспечивает выбор кратчайшего пути между источником и приемником;
- Обеспечивает фильтрацию широковещательных сообщений для локальной сети;
- Обеспечивает фильтрацию искаженных пакетов;
- Осуществляют выбор рационального маршрута в сетях с замкнутыми контурами.
Для определения кратчайших маршрутов маршрутизатор поддерживает таблицу маршрутизации, которая содержит следующую информацию:
- Все известные сетевые адреса;
- Способы связи с другими сетями;
- Возможные пути между маршрутизаторами;
- Стоимость передачи по этим путям
Маршрутизаторы более надежно и более эффективно, чем мосты, изолируют трафик отдельных частей сети друг от друга. Маршрутизаторы образуют логические сегменты посредством явной адресации, поскольку используют не плоские аппаратные, а составные числовые адреса. В этих адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаково, принадлежат к одному сегменту, называемому в данном случае подсетью. Достоинства маршрутизаторов:
- Не вносят никаких ограничений в топологию сети;
- Легко решают проблемы с возникающими в сетях петлями.
Недостатки маршрутизаторов:
- Требуют гораздо больше усилий по администрированию, по сравнению с мостами;
- Параметры каждого маршрутизатора должны быть согласованы с параметрами других маршрутизаторов в сети.
Для построения объединенной сети целесообразно использовать мосты, если выполняется правило 80/20, т.е. 80% трафика является локальным для каждой подсети и 20% трафика является глобальным, т.е. внешним, для каждой подсети. Это правило заведомо выполняется, если сервер располагается в одном сегменте со своими пользователями. Если же построить, таким образом, сеть не удается, то целесообразно использовать маршрутизаторы. Обычно маршрутизаторы используют для крупномасштабных сетей, использующих подсети. Для связи подсетей используются различные типы линий (Т1, модемная связь и др.). Маршрутизатор, принявший пакет, предназначенный для удаленной подсети, передает его тому маршрутизатору, который обслуживает сеть назначения, т.е. маршрутизатор передает пакет другому маршрутизатору, а не удаленному компьютеру. Следовательно, для того чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество переходов между сетями, каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет. 
Таблица маршрутизации для сети A имеет вид:
| Сеть назначения | Соседний маршрутизатор | Длина пути (транзитные участки) |
| H | B | 2 |
| H | C | 4 |
Маршрут выбирается на основании имеющейся у этих устройств информации о текущей конфигурации сети, а также на основании указанного критерия выбора маршрута. Обычно в качестве критерия выступает задержка прохождения маршрута отдельным пакетом или средняя пропускная способность маршрута для последовательности пакетов. Часто также используется весьма простой критерий, учитывающий только количество пройденных в маршруте промежуточных маршрутизаторов (хопов). Для выбора рационального маршрута следования пакета маршрутизатор анализирует специальную информационную структуру – таблицу маршрутизации. Обычно маршрутизаторы автоматически создают таблицы маршрутизации, обмениваясь служебной информацией.
Объединение сетей с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов. Распределение коммуникационного оборудования в соответствии с моделью OSI
Устройства объединения сетей обеспечивают связь между сегментами локальных сетей, отдельными ЛВС и подсетями любого уровня. Эти устройства в самом общем виде могут быть отнесены к определенным уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем.
Соотношение между функциями этих устройств и уровнями модели OSI показано на рисунке 40.
Рисунок 40 — Соответствие функций коммуникационного оборудования модели OSI
Существуют следующие классы устройств для объединения сегментов и сетей. Повторитель, который регенерирует сигналы, за счет чего позволяет увеличивать длину сети, работает на физическом уровне. За счет усиления и восстановления формы электрических сигналов повторителем становится возможным расширение сетей, построенных на основе коаксиального кабеля и увеличение общего числа пользователей сети.
Сетевой адаптер также работает на физическом и отчасти на канальном уровнях. К физическому уровню относится та часть функций сетевого адаптера, которая связана с приемом и передачей сигналов по линии связи, а получение доступа к разделяемой среде передачи, распознавание МАС-адреса компьютера — это уже функция канального уровня.
Мосты (bridges) и коммутаторы (switches) объединяют сети на канальном
уровне и используют функциональные возможности физического уровня.
Мосты выполняются на основе компьютера, оснащенного соответствующим
ПО. Отличие коммутаторов от мостов в том, что они реализуют свои функции аппаратными средствами и поэтому обладают значительно более высоким быстродействием.
Для мостов сеть представляется набором МАС-адресов устройств. Они извлекают эти адреса из заголовков, добавленных к пакетам на канальном уровне, и используют их во время обработки пакетов для принятия решения о том, на какой порт отправить тот или иной пакет. Мосты не имеют доступа к информации об адресах сетей, относящейся к более высокому уровню. Поэтому они ограничены в принятии решений о возможных путях или маршрутах перемещения пакетов по сети.
Маршрутизаторы работают на сетевом уровне модели OSI. Для маршрутизаторов сеть — это набор сетевых адресов устройств и множество сетевых путей. Маршрутизаторы анализируют все возможные пути между любыми двумя узлами сети и выбирают самый короткий из них.
На рисунке 40 показан еще один тип коммуникационных устройств — шлюз, который может работать на любом уровне модели OSI. Шлюз (gateway) — это устройство, выполняющее трансляцию протоколов. Шлюз размещается между взаимодействующими сетями и служит посредником, переводящим сообщения, поступающие из одной сети, в формат другой сети. Шлюз может быть реализован как чисто программными средствами, установленными на обычном компьютере, так и на базе специализированного компьютера.
Рисунок 41 — Фрагмент сети
Фрагмент вычислительной сети (рисунок 40) включает основные типы коммуникационного оборудования, для образования локальных сетей и соединения их через глобальные связи друг с другом.
Для подключения локальных сетей к глобальным связям используются специальные выходы (WAN-порты) мостов и маршрутизаторов, а также аппаратура передачи данных по длинным линиям — модемы (при работе по аналоговым линиям) или же устройства подключения к цифровым каналам (TA — терминальные адаптеры сетей ISDN, устройства обслуживания цифровых выделенных каналов типа CSU/DSU и т.п.).
6.2. Маршрутизаторы как средство объединения локальных сетей
Маршрутизатор представляет собой промежуточную систему с несколькими интерфейсами (портами), оперирующую информацией пакетов сетевого уровня, заключенных в кадры сети. Каждый порт имеет свой физический адрес (МАС-адрес), по которому к нему обращаются узлы, нуждающиеся в межсетевой передаче пакетов. С каждым из портов связываются один или несколько сетевых протоколов (IPX, IP, Apple Talk) и одна или несколько подсетей. Маршрутизатор пересылает между портами (подсетями) только те пакеты, которые предназначаются адресатам подсети выходного порта. При этом возможна фильтрация – передача пакетов, удовлетворяющих определенным критериям. Маршрутизаторы используются и как средства обеспечения безопасности, препятствующие прозрачному взаимодействию между узлами разных подсетей. Маршрутизаторы необходимы для связи пространственно удаленных подсетей, когда имеются жесткие ограничения на полосу пропускания каналов связи между ними. Маршрутизатор будет посылать в канал только те пакеты, которые действительно предназначены для получателей противоположной стороны.
Функции маршрутизатора рассмотрим применительно к протоколу IP. Маршрутизатор принимает адресованный ему кадр во входной буфер и анализирует заключенный в него пакет. Для маршрутизации интересен адрес назначения, Для фильтрации могут анализироваться и другие поля. В зависимости от результата анализа пакт направляется в выходную очередь соответствующего интерфейса или уничтожается.
У маршрутизатора могут быть порты с разными сетевыми технологиями – переход осуществляется просто вкладыванием пакета в кадр соответствующей технологии. Изменять протокол маршрутизатор не может. В случае обнаружения ошибок в пакете маршрутизатор генерирует соответствующий пакет-сообщение (для стека TCP/IP пакетICMP).
Маршрутизаторы, как правило, имеют небольшое число физических интерфейсов и реализуется на основе одного процессора. В отличии от «прозрачных» устройств 1 – 2-го: все узлы подсети, желающие участвовать в обмене с узлами других подсетей, должны знать сетевой адрес маршрутизатора и иметь возможность получения его физического адреса.
Необходимость применения маршрутизатора может быть и не всегда очевидна. Однако, если по каким-либо причинам приходится узлы этой сети приписывать к различным IP-подсетям, то для взаимодействия между ними необходим маршрутизатор.
Хороший маршрутизатор является очень дорогим устройством со сложной настройкой, производительность которого из-за более сложных манипуляций с кадрами, выполняемых, как правило, одним процессором, гораздо ниже, чем у коммутатора. В результате маршрутизатор в сети с интенсивным обменом между подсетями может оказаться узким местом.
Объединять подсети в более крупную сеть допустимо не всегда, поскольку при увеличении числа узлов подсети возникает вероятность широковещательных «штормов». Выходов может быть два – увеличивать производительность маршрутизатора или по возможности заменять маршрутизаторы коммутаторами с поддержкой ВЛС (виртуальная локальная сеть).