Задача дипломного проекта 13

4.4.4. Маршрутизатор (router)

Маршрутизаторы подобно мостам ретранслируют кадры из одного сег­мента сети в другой. Первые маршрутизаторы были и устроены подобно мостам: они имели не менее двух сетевых интерфейсов, центральный про­цессор и оперативную память небольшого объема. Единственное отличие между маршрутизаторами и мостами состояло в программном обеспечении. Подобно коммутаторам маршрутизаторы использовали специальные микро­схемы для достижения более высокой производительности за меньшую цену.

Три существенных различия между маршрутизаторами и мостами пере­числены ниже.

• 
  Во-первых, принимая решение о ретрансляции, маршрутизаторы исполь­зуют не МАС-адрес получателя кадра, а так называемый сетевой адрес. Маршрутизаторы ретранслируют лишь информацию, адресованную им непосредственно, и в отличие от мостов отбрасывают широковещатель­ные кадры.
  
• 
  Во-вторых, маршрутизаторы не являются прозрачными устройствами. Каждый узел, желающий взаимодействовать с другим узлом через мар­шрутизатор, должен "осознавать" существование маршрутизатора и обра­щаться именно к нему.
  
• 
  В-третьих, маршрутизаторы поддерживают ячеистые сети (meshed net­work), посредством которых обеспечивается множество активных путей передачи данных между любой парой узлов. Сеть с мостами, напротив, должна быть сконфигурирована в виде дерева и между любой парой ее узлов существует единственный активный путь передачи.
  

Последнее различие между устройствами наиболее существенно. Мар­шрутизаторы поддерживают много путей между узлами сети. Сравним сеть, схема которой представлена на рис. 4.21., с идентичной ей (за исключением того, что мосты заменены маршрутизаторами) неправильной сетью, изобра­женной на рис. 4.13. В отличие от мостов маршрутизаторы легко справляются с управлением многими путями между сегментами.
Р ис. 4.21. Маршрутизированная сеть.

Следует помнить, что маршрутизаторы, с одной стороны, и мосты, коммутаторы – с другой, поддерживают весьма различные сетевые интер­фейсы. В частности, маршрутизатор может иметь несколько портов Ethernet, несколько портов Fast Ethernet, пару портов Token Ring и интерфейсный порт с глобальной сетью. Он легко маршрутизирует информацию между столь различными сетями. Напротив, мосты почти всегда поддерживают один и тот же сетевой интерфейс в каждом из своих портов. Многие коммутаторы поддерживают два типа интерфейса: собственный, например Fast Ethernet, и интерфейс типа FDDI. В этом случае осуществляется трансляция кадров из одного формата в другой.

Многие спрашивают: "Зачем использовать коммутаторы или мосты, если можно применять маршрутизаторы?" Именно этого вопроса от вас ждут поставщики маршрутизаторов. Ответ прост.

• 
  Коммутация в Fast Ethernet почти всегда обходится дешевле маршрутизации, так как 12-портовый коммутатор гораздо дешевле 12-портового маршрутизатора. Стоимость коммутации Ethernet примерно в 10 раз дешевле маршрутизации.
  
• 
  Коммутаторы полностью прозрачны по отношению к подключенным устройствам, их легче разрабатывать и устанавливать, ими легче управ­лять.
  
• 
  Коммутаторы быстрее маршрутизаторов, имеют гораздо более широкую полосу пропускания. Но так как некоторые маршрутизаторы работают с очень высокой скоростью, вернее будет сказать, что коммутация отли­чается гораздо более удачным соотношением цена/производительность). Почти все современные коммутаторы Fast Ethernet работают на всех портах со скоростью кабеля и при этом имеют относительно низкую цену.
  
• 
  Маршрутизаторы Fast Ethernet, которые могут работать со скоростью, близкой к скорости кабеля, очень дорогие. Их цена нередко достигает десятков тысяч долларов в расчете на порт.
  

Главное различие между маршрутизатором и мостом состоит не в произ­водительности, а в способе принятия решения о ретрансляции. Маршрути­заторы используют для этой цели заголовок протокола, а не кадра. Как мы уже говорили, различные сетевые технологии работают на различных уров­нях модели OSI. Концентраторы являются устройствами уровня 1, мосты – устройствами уровня 2, а маршрутизаторы – устройствами уровня 3.
Концентраторы работают с пакетами и не зависят от содержимого поля данных пакета, в котором заключен кадр. Мосты работают с кадрами и не зависят от содержимого поля данных кадра, в котором обычно (но не всегда) заключена дейтаграмма. Маршрутизаторы работают с дейтаграммами, кото­рые иногда называются пакетами данных или сообщениями. Работа маршру­тизаторов обычно не зависит от содержимого поля данных дейтаграммы, но тем не менее некоторые интеллектуальные маршрутизаторы должны разо­браться в его содержимом, прежде чем принять весьма важное решение о ретрансляции или фильтрации.

Рис. 4.22. Инкапсуляция данных.

Дейтаграммы помещаются в кадры подобно тому, как кадры заключаются в пакеты. Часто говорят, что структуры более низкого уровня предусматри­вают использование "конверта" для структур более высокого уровня. Двумя преобладающими протоколами уровня 3, или уровня дейтаграммы, являются IP и IPX. На рис. 4.22. показано, как дейтаграммы IP инкапсулированы в кадре Fast Ethernet. IP является протоколом уровня 3, или сетевого уровня, и может использовать практически любые устройства уровня 2. Чаще всего IP ис­пользуется совместно с протоколом TCP и называется TCP/IP. TCP является протоколом уровней 4 и 5 (транспортного и сеансового) и работает поверх протокола IP.

Заголовок протокола IP, показанный на рис. 4.22., слегка упрощен, потому что мы опустили подробности о поле информации, неуместные в данном обсуждении. Важными для нас являются сетевые адреса получателя и отправителя. МАС-адрес однозначно определяет узел в ЛВС, а сетевой адрес – узел в маршрутизованной сети.
Протоколы IP и IPX используют сетевой адрес, состоящий из двух полей: номера сети, или номера связи, и идентификатора станции. Адреса IPX имеют только один формат, а адреса IP – три формата: классов А, В и С.
Длина адреса протокола IP всегда составляет 32 бита. Адрес состоит из 4 групп по 8 битов каждая, называемых октетами (байтами). Кроме того, он состоит из двух частей: номера сети (часто называемого номером связи) и номера узла (или идентификатора станции). Разница между классами адресов заключается в том, как 32 бита распределяются между номером сети и номером узла. Значения первых одного, двух или трех битов и определяют класс адреса.

Рис. 4.23. Формат сетевого адреса IPX.

Адрес протокола IPX отличается более простой структурой. Он имеет длину 80 битов и состоит из двух полей: номера сети и адреса узла. Поля адреса IPX в отличие от адреса IP имеют фиксированный размер (рис. 4.23).

Под номер сети всегда отводится 32 бита, а под идентификатор стан­ции – 48 битов. В отличие от адреса IP, не имеющего отношения к МАС-адресу узла, адрес IPX использует последний в качестве идентифика­тора станции. Два протокола имеют различные форматы сетевого адреса, но обладают общей чертой: сетевой адрес состоит из двух частей – номера сети и идентификатора станции. В отличие от моста, который принимает решение о ретрансляции на основании полного МАС-адреса, маршрутизатор исполь­зует для этой цели только номер сети из сетевого адреса.
Номер сети – это число, однозначно определяющее сеть. В большинстве технологий ЛВС, включая Fast Ethernet, сеть определяется как единая широковещательная область. Это означает, что несколько сегментов (облас­тей коллизий), соединенных коммутаторами (или мостами), рассматрива­ются как единая сеть. Работа маршрутизатора заключается в передаче дейтаграмм между сетями. Часто термин ЛВС употребляется именно в этом смысле и означает единую сеть с точки зрения маршрутизации.
И мосты, и маршрутизаторы соединены с сетью обычным сетевым интерфейсом. Тем не менее, маршрутизатор работает не так, как мост. Каждый узел, нуждающийся в передаче данных по маршрутизованной сети, должен участвовать в процессе, отправляя необходимые дейтаграммы непо­средственно маршрутизатору. Мост же получает все кадры сети вне зависи­мости от их назначения, а ретранслирует только кадры, предназначенные другим сегментам.
При отправке дейтаграммы узел помещает в поле отправителя собствен­ный сетевой адрес, а в поле получателя – сетевой адрес получателя. Прежде чем передать дейтаграмму, узел должен установить, может ли он отправить ее непосредственно получателю или же ее нужно переслать маршрутизатору. Узел может отправить дейтаграмму непосредственно получателю, без исполь­зования маршрутизатора, если его собственный номер сети совпадает с номером сети получателя. В случае Fast Ethernet это означает, что оба узла находятся в одной широковещательной области. Узел просто заполняет МАС-адрес кадра сетевым адресом получателя. Если же номера сетей отпра­вителя и получателя не совпадают, то передающий узел должен поместить дейтаграмму в кадр, адресованный маршрутизатору, после чего маршрути­затор возьмет на себя заботу о доставке дейтаграммы получателю.
Ранее мы задавали себе вопрос о том, зачем использовать мосты, если сеть можно маршрутизировать. Казалось, что полученные ответы ставят мосты и коммутаторы по значимости выше маршрутизаторов. На самом же деле большое преимущество маршрутизаторов перед мостами состоит в том, что маршрутизированная сеть хорошо масштабируется. Под масштаби-руемостью мы понимаем способность маршрутизованной сети быть доста­точно большой и сложной и в то же время работать должным образом, обеспечивать нужную производительность и оставаться управляемой. Сеть с мостами в отличие от нее масштабируется плохо.
Маршрутизованные сети могут быть исключительно сложными, намного сложнее сетей с мостами. Колоссальной маршрутизованной сетью, которая соединяет миллионы компьютеров со всего мира, является Internet. Такие сети хорошо масштабируются именно благодаря наличию маршрутизаторов. Сети с коммутаторами (или мостами) не масштабируются при достижении определенного размера по следующим причинам:

• 
  широковещательные кадры занимают слишком большую часть полосы пропускания;
  
• 
  сеть всегда должна оставаться остовным деревом.
  

Коммутаторы хорошо подходят для сегментирования отдельных облас­тей коллизий. В сети с коммутаторами однопунктовые кадры распростра­няются только по тем сегментам, которые необходимы для доставки кадра от отправителя к получателю. А в сети с мостами широковещательный кадр, переданный одним узлом, должен быть получен всеми узлами. Когда размер сети с мостами возрастает, все большая часть общего сетевого трафика становится широковещательной, оставляя все меньше места для кадров, несущих полезную информацию. Другими словами, чем больше широкове­щательных кадров, тем меньше показатель использования сети. Тем самым устанавливается практический предел размеру сети с мостами или комму­таторами.
Сеть с коммутаторами должна также оставаться остовным деревом. Это означает, что один коммутатор должен быть первичным, или корневым, мостом (root bridge). Если корневой мост выходит из строя, то оставшиеся должны восстановить остовное дерево. В больших сетях с мостами это отнимает много времени и часто становится причиной катастрофы, так как сеть с мостами не может иметь активных избыточных связей. Представьте себе, что Internet зависит от единственного устройства!
Так как маршрутизаторы не пропускают широковещательных кадров и поддерживают множественные активные связи, то именно с их помощью можно решить указанные проблемы. Подобно тому, как мосты и коммута­торы используются для объединения нескольких областей коллизий, мар­шрутизаторы применяются для объединения широковещательных областей. На рис. 4.24. показаны пять BD (broadcast domain – широковещательная область, ЛВС), соединенных тремя маршрутизаторами. Слово FAST обозна­чает связь Fast Ethernet, а слово SLOW – связь Ethernet. Связи, обозначенные словом WAN, работают еще медленнее.

Рис. 4.24. Маршрутизаторы и ЛВС.

Любой узел маршрутизованной сети может взаимодействовать с любым другим, однако широковещательные кадры никогда не покидают той ЛВС, где они возникли и не используют полосы пропускания других локальных сетей. В отличие от ЛВС с мостами, маршрутизованные сети поддерживают множественные активные пути между сегментами. Маршрутизаторы осуще­ствляют это, всегда пересылая дейтаграмму по наилучшему пути. Определение наилучшего пути очень сложное. Некоторые пути могут быть, например, быстрыми, следовательно, предпочтительными. Тем не менее, если один из таких быстрых путей перегружен, то маршрутизатор может выбрать для дейтаграммы альтернативный путь. Маршрутизаторы, запоминая топологию маршрутов, решают и проблему петель, от которой страдают сети с мостами.

Характеристики доставки данных для маршрутизаторов отличаются от аналогичных характеристик мостов. Применение мостов является гарантией того, что передаваемые кадры достигнут узла-получателя в том же порядке. в котором были отправлены. В маршрутизованной сети нет гарантии, что дейтаграммы будут доставлены в том же порядке, в котором были отправле­ны. Например, три кадра, отправленные узлом А узлу В, могут прийти в ином порядке, потому что каждая дейтаграмма может быть передана по различным путям. Если первая дейтаграмма передается по медленному или перегружен­ному пути, то следующая может быть направлена по более быстрому и достичь узла В раньше первой. Причем на практике такое поведение может быть даже желательным. Избыточные активные пути часто закладываются в проект маршрутизованной сети именно для этой цели.
Избыточные активные пути могут устанавливаться по различным причи­нам, главная из которых состоя в желании обеспечить запасной путь на случай перегрузки или выхода из строя основного. Другая распространенная причина – необходимость обеспечить более широкую полосу пропускания между двумя ЛВС. Рассмотрим пример, когда маршрутизаторы 1 и 2 соеди­няют локальные сети Бета и Гамма. Поскольку дейтаграммы, проходящие между этими ЛВС, могут двигаться либо через маршрутизатор 1, либо через маршрутизатор 2, то трафик между ними может быть в два раза больше, чем при наличии единственной связи.
Сопоставьте сказанное с уже имеющейся информацией о сетях с моста­ми, где избыточные пути используются только в качестве пассивного резерва, а не как действительно избыточные, т.е. находятся в выключенном состоя­нии до возникновения катастрофы, разрушающей остовное дерево. К тому же следует отметить, что простые маршрутизаторы используют номер сети дейтаграммы и полезны для управления размером широковещательной об­ласти.
Таким образом, маршрутизация используется в технологии Fast Ethernet в основном для связывания широковещательных областей и удержания их размеров в управляемых пределах, в отличие от коммутации, которая предназначена для связывания областей коллизий и обеспечения высокой производительности.