Изучение принципов работы маршрутизаторов

На сегодняшний день в мире существует более 150 миллионов компьютеров и более 80 % из них объединены в различные информационно-вычислительные сети от малых локальных в офисах до глобальных типа Internet. Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин, таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений (факсов, Е - Mail писем и прочего) не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения любой информации из любой точки земного шара, а так же обмен информацией между компьютерами разных фирм работающих под разным программньм обеспечением.

Между собой вычислительные сети объединяются различными устройствами, такими как мосты, коммутаторы, шлюзы и маршрутизаторы. Из всех перечисленных устройств маршрутизаторы обладают наиболее полным набором функций для обеспечения эффективного межсетевого взаимодействия (сбор информации о топологии межсетевых соединений, изоляция трафика отдельных частей сети друг от друга, выбор наиболее рационального маршрута из нескольки возможных, способность связывать в единую сеть подсети, построенные с использованием различных сетевых технологий, например Ethernet и Х.25 и др.). Такие потенциальные возможности, которые несут в себе маршрутизаторы и тот новый потенциальный подъем, который при этом испытывает информационный комплекс, а так же значительное ускорение производственного процесса не дают нам право не принимать это к разработке и исследованию и не применять их на практике.

Поэтому есть серьезная необходимость в изучении исследовании моделей всеразличных элементов и устройств сетей и коммутационного оборудования, принципов их работы и логического построения.

Данные исследования помогают в дальнейшем вырабатывать рекомендации, как по созданию обрудования на сегодняшний день, так и с учетом прогресса технологий его развития в дальнейшем. Данный дипломный проект выполняет как раз такую задачу, как описание принципов организации и функционирования маршрутизаторов для стека протоколов TCP/IP, получившего наибольшее распространение в вычислительных сетях.

1. НАЗНАЧЕНИЕ МАРШРУТИЗАТОРОВ И ИХ МЕСТО В СХЕМЕ СЕТЕВОГО ОБМЕНА

1.1. Сетевой уровень протоколов модели OSI

Сетевой уровень (Network Layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причём эти сети могут использовать различные принципы передачи между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны (рис.1.1).

На сетевом уровне сам термин сеть наделяют специфическим значением. В данном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определённый для данной топологии.

Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связи между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в протоколах канального уровня.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и её решение является одной из главных задач сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например надёжности передачи.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надёжных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями. [1]

Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packets). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие “номер сети”. В этом случае адрес получателя состоит из старшей части – номера сети и младшей – номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину “сеть” на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное определение: сеть – это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети [2].

На сетевом уровне определяются два вида протоколов. Первый вид- сетевые протоколы – реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршрутизации.

На сетевом уровне работают протоколы ещё одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне в локальный адрес сети. Такие протоколы называют протоколами разрешения адресов.

Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

1.2. Обобщенное описание функционирования маршрутизатора

Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на её основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения.

Основная функция маршрутизатора - чтение заголовков пакетов сетевых протоколов, принимаемых и буферизуемых по каждому порту, и принятие решения о дальнейшем маршруте следования пакета по его сетевому адресу, включающему номер сети и номер узла.

Функции маршрутизатора могут быть разбиты на 3 группы в соответствии с уровнями модели OSI (рис. 1.1).

Создание и ведение таблиц маршрутизации

Уровень

протокола

маршрутизации

Удаление плохих пакетов (по контрольной сумме)	Ведение очередей пакетов	Определение маршрута по таблице маршрутизации
Анализ и модификация сетевого заголовка	Фильтрация пакетов

Уровень сетевого протокола

Преобразование сетевого адреса следующего маршрутизатора в локальный адрес

Передача уровню интерфейсов

1) пакета

2) адреса следующего маршрутизатора

3) № выходного порта

Отбрасывание у кадра заголовка канального уровня и передача пакета сетевому уровню

Уровень

интер-

фейсов

Приём и распределение данных по портам

LAP-B

LAP-D

LAP-F

LLC-подуровень

802.3

МАС-подуровень

802.3

МАС-подуровень

802.5

V.35

МАС-подуровень

0Base-T

10Base-2

UTP

Порт1 Порт2 Порт3 Порт4

Ethernet Ethernet Token Ring V.35(x.25,frame

relay,ISDN)

Рис. 1.1. Функциональная схема маршрутизатора

1.2.1. Уровень интерфейсов

Интерфейсы маршрутизатора, выполняют полный набор функций физического и канального уровней по передаче кадра, включая получение доступа к среде, формирование битовых сигналов, приём кадра, подсчёт контрольной суммы и передачу поля данных кадра верхнему уровню.

1.2.2. Уровень сетевого протокола

Сетевой протокол извлекает из пакета заголовок сетевого уровня и анализирует содержимое его полей. Проверяется контрольная сумма, и если пакет пришел поврежденным, то он отбрасывается. Проверяется время жизни пакета, вносятся корректировки в содержимое некоторых полей, пересчитывается контрольная сумма.

На сетевом уровне выполняется одна из важнейших функций маршрутизатора – фильтрация трафика [3]. Маршрутизатор позволяет задавать и обрабатывать сложные правила фильтрации. Пакет сетевого уровня, находящийся в поле данных кадра для маршрутизаторов представляется неструктурированной двоичной последовательностью. Маршрутизаторы же, программное обеспечение которых содержит модуль сетевого протокола, способны производить разбор и анализ отдельных полей пакета. Они оснащаются развитыми средствами пользовательского интерфейса, которые позволяют администратору задавать сложные правила фильтрации [1].

В случае если интенсивность поступления пакетов выше скорости обработки, пакеты могут образовать очередь. Существуют различные дисциплины обслуживания пакетов: в порядке поступления по принципу “первый пришел – первый обслужен” (FirstInputFirstOutput, FIFO) случайное раннее обнаружение, когда обслуживание идет по правилу FIFO, но при достижении очередью определенной длины, вновь поступающие пакеты отбрасываются, а также различные варианты приоритетного обслуживания.

Основная функция маршрутизатора – определение маршрута пакета. По номеру сети, извлеченному из заголовка пакета, модуль сетевого протокола находит в таблице маршрутизации строку, содержащую сетевой адрес следующего маршрутизатора, и номер порта, на который нужно передать пакет, чтобы он двигался в нужном направлении. Если в таблице отсутствует запись о сети назначения пакета, и, к тому же, нет записи о маршрутизаторе по умолчанию, то пакет отбрасывается.

Перед тем как передать сетевой адрес следующего маршрутизатора на канальный уровень той технологии, которая используется в сети, содержащей следующий маршрутизатор. Для этого сетевой протокол обращается к протоколу разрешения адресов. Протоколы этого типа устанавливают соответствие между сетевыми и локальными адресами либо на основании заранее составленных таблиц, либо путем рассылки широковещательных запросов. Таблица соответствия локальных адресов сетевым адресам строится отдельно для каждого сетевого интерфейса. Протоколы разрешения адресов занимают промежуточное положение между сетевым и канальным уровнями.

С сетевого уровня пакет, локальный адрес следующего маршрутизатора и номер порта маршрутизатора передаются вниз, канальному уровню. На основании указанного номера порта осуществляется коммутация с одним из интерфейсов маршрутизатора, средствами которого выполняется упаковка пакета в кадр соответствующего формата. В поле адреса назначения заголовка кадра помещается локальный адрес следующего маршрутизатора. Готовый кадр отправляется в сеть.

1.2.3. Уровень протоколов маршрутизации

Сетевые протоколы активно используют в своей работе таблицу маршрутизации, но ни её построением. Ни её поддержанием не занимаются. Эти функции выполняют протоколы маршрутизации. На основании этих протоколов маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии сети. А затем анализируют полученные сведения, определяя наилучшие по тем или иным критериям маршруты. Результаты анализа и составляют содержимое таблиц маршрутизации.

1.3. Выбор средств описания и разработки электронных учебно-методических указаний

1.3.1. Этапы и содержание педагогического проектирования

Педагогическое проектирование относится к тем подсистемам, в которых осуществляется целенаправленное взаимодействие педагогов и учащихся на основе содержания образования.

Педагогическое проектирование, как процесс создания новых объектов включает в себя следующие основные этапы:

изучение целей, содержания, методов, форм и средств обучения с целью установить зависимость результатов обучения от различных педагогических факторов и условий;
исследование условий реализации разрабатываемой технологии обучения, выявление имеющихся ограничений;
разработка нескольких вариантов эскизного проекта содержания и структуры учебной дисциплины, раздела или темы; выбор оптимального варианта;
разработка технического проекта оптимального варианта структуры и содержания учебной дисциплины, раздела или темы;
разработка нескольких вариантов технологии обучения учебной дисциплины, раздела или темы;
разработка дидактических средств технологии обучения (пособий, сценариев компьютерных учебных программ, тестов, вариантов заданий и контрольных работ);
опытная реализация проекта учебной дисциплины, раздела или темы; исследование эффективности и разработка рекомендаций по совершенствованию.

Выполнение полной программы педагогического проектирования

в рамках дипломного проектирования практически нереально, вследствие чего решены шестой и седьмой этапы [4].

Дипломная работа выполняется на основе изучения педагогической научно-технической литературы и других источников информации по проектируемой учебной дисциплине.

1.3.2. Методика описания вычислительных процессов с использованием схем алгоритмов

Схемы алгоритмов выполняют по ГОСТ 19.002-80 на отдельных местах определенного формата. Условные графические обозначения (УГО) на схемах изображают по стандарту и соединяют линиями потока информации, которые параллельны внешней рамке схемы. Линии потока информации и линии контуров УГО должны иметь одинаковую толщину. Основное направление потока информации идет сверху вниз и слева направо (стрелки не указывают). В других случаях применение стрелок обязательно.

Линии потока информации разрешается разрывать при нецелесообразности проведения линии потока они заменяются УГО “Соединитель”, с указанием внутри УГО координаты условного графического обозначения, к которым должна подойти линия потока информации (рис. 1.2,а).

Внутри УГО и рядом с ним делают записи и обозначения (для уточнения выполняемых им функций) так, чтобы их можно было читать сверху вниз и слева направо независимо от направления потока (рис. 1.2,б). Присвоенные символы – идентификаторы помещают слева над УГО (рис. 1.2,в).

Особое положение в схемах занимает УГО “Решение”, с помощью которого указывают на схемах альтернативные пути ветвления отображаемых процессов. Возможные варианты отображения решения: А=В, Р