Об'єднані мережі передавання даних

Загальні принципи побудови об'єднаних мереж передавання даних

Об'єднана мережа передавання даних (ОМПД)) — це сукупність декількох мереж передавання даних, об'єднаних маршрутизаторами. Таку мережу ще нази­вають великою, складеною, або internet-мережею. Приклад структури об'єднаної мережі наведено на рис. 8.1. Як видно з наведеної структури, до складу об'єднаної мережі входять побудовані за різними технологіями локальні та глобальні мережі, об'єднані за допомогою маршрутизаторів. Маршрутизатор - це комунікаційний пристрій, який підтримує протоколи мережевого рівня і призначений для об'єднання мереж передавання даних, побудованих за різними технологіями.

Мережевий рівень забезпечує вибір маршруту передавання даних між кін­цевими вузлами різних мереж передавання даних. Маршрут — це послідовність портів маршрутизаторів, які повинен пройти пакет від джерела до адресата. Сам маршрутизатор адреси не має, а кожний порт маршрутизатора має числову адресу і локальну адресу тієї мережі, до складу якої він входить. Тип і формат числових адрес залежить від стека комунікаційних протоколів, який використовується в об'єднаній мережі. Здебільшого числові адреси складаються з номера мережі, в якій знаходиться адресат, та номера кінцевого вузла в цій мережі.

Пакетом називають потік даних з вищих рівнів, упакований мережним рів­нем у певний формат і доповнений службовою інформацією. Службова інформація містить, як правило, номер пакета, час його життя та числові адреси джерела і одержувача пакета, на основі яких вибирають маршрут просування пакета між маршрутизаторами.

Маршрут пакета вибирається кінцевими вузлами і маршрутизаторами на основі аналізу таблиць маршрутизації, які можуть будуватися адміністратором вручну або автоматично протоколами маршрутизації. Протоколи маршрутизації генерують і передають мережею службові кадри, призначені для збирання інфор­мації про структуру мережі і побудови на її основі таблиць маршрутизації.

Мережеві протоколи на основі аналізу маршрутних таблиць вибирають маршрут і забезпечують передачу пакетів даних між кінцевими вузлами. Протокол марш­рутизації і мережеві протоколи реалізуються відповідними програмними моду­лями, які містяться як на кінцевих (комп'ютери), так і на проміжних (маршрутизатори) вузлах мережі.

Як видно із наведеної схеми, від джерела повідомлення РС1 до адресата РС2 пакет може просуватися різними маршрутами (наприклад, МІ, М2 і М7, або МЗ, М9 і М7 і т. п.). Мало того, різні пакети одного і того самого повідомлення можуть проходити до адресата за різними маршрутами. Вибір маршрутизаторами оптимального маршруту проходження пакета до адресата залежить від багатьох факторів, зокрема і від завантаженості каналів зв'язку. Деякі з них будуть розглянуті нижче.

Види маршрутизації пакетів

Розрізняють багатокрокову і однокрокову маршрутизацію.

За багатокрокової маршрутизації початковий вузол задає в пакеті повний маршрут його проходження через проміжні маршрутизатори. Багатокрокову марш­рутизацію називають ще маршрутизацією від джерела. Цей вид маршрутизації прискорює проходження пакета мережею і розвантажує маршрутизатори. Велике навантаження лягає на кінцеві вузли, які повинні мати повні таблиці марш­рутизації. Багатокрокова маршрутизація використовується, як правило, в об'єд­наних мережах простої структури.

Частіше використовують однокрокову маршрутизацію, за якої початковий вузол або маршрутизатор визначає один крок маршруту — до наступного марш-рутизатора, а повний маршрут складається в результаті роботи всіх маршру-тизаторів, через які проходить пакет.

Залежно від способу формування таблиці маршрутизації однокрокову марш­рутизацію поділяють на три класи:

проста маршрутизація;

фіксована (статична) маршрутизація;

адаптивна (динамічна) маршрутизація.

За простої однокрокової маршрутизації таблицю маршрутизації будують за принципом адресної таблиці прозорого моста або взагалі не будують. За відсутності таблиць маршрутизації пакет посилається в будь-якому напрямку, крім того, з якого він надійшов, або в усіх напрямах, крім вхідного.

Рис. 8.1. Структура об'єднаної мережі передавання даних

При фіксованій однокроковій маршрутизації всі записи в таблицях марш­рутизації є статичними і виконуються адміністратором мережі.

Найбільш поширеною є адаптивна однокрокова маршрутизація, за якої таб­лиці маршрутизації будуються і поповнюються динамічно в автоматичному ре­жимі. Інформацію про структуру об'єднаної мережі (зв'язок окремих мереж з маршрутизаторами), необхідну для побудови таблиць маршрутизації, вузли отри­мують за допомогою протоколів маршрутизації.

Динамічна однокрокова маршрутизація реалізується усіма сучасними марш­рутизаторами.

Принципи маршрутизації

Принципи маршрутизації розглянемо на прикладі мережі, структуру якої наведено на рис. 8.2. Маршрутизатори мають по декілька портів (два і більше), до яких під'єднуються мережі. Кожний порт розглядають як окремий вузол мережі. Він має власну мережеву адресу і власну локальну адресу в тій мережі, яка до нього під'єднана. Тому маршрутизатор можна розглядати як сукупність декількох вузлів, кожний з яких входить у свою мережу. Принцип адресації портів марш-рутизатора залежить від вибраного протоколу мережевого рівня.

Для того, щоб за адресою мережі можна було вибрати раціональний маршрут проходження пакета, кінцеві і проміжні вузли аналізують маршрутну таблицю, яка містить інформацію про зв'язок цих портів із суміжними мережами.

Розглянемо принцип побудови маршрутних таблиць з використанням одно-крокової маршрутизації, коли початковий вузол або маршрутизатор визначає один крок маршруту - до наступного маршрутизатора, а повний маршрут складається в результаті роботи всіх маршрутизаторів, через які проходить пакет.

Таблиця 8.1 Маршрутна таблиця маршрутизатора М2

 

№ з/п	№ мережі	Адреса вихідного порту маршрутизатора М2	Адреса вхідного порту найближчого маршрутизатора	Віддаль до мережі
	S1	1.21	_
	S2	1.21	1.11
	S3	3.22	_
	S4	4.23	_
	S5	5.24	_
	S6	4.23	4.51
	S7	5.24	5.71
	default	4.23	4.51	-

У табл. 8.1 наведено приклад побудови маршрутної таблиці маршрутизатора М2 об'єднаної мережі передавання даних, структуру якої наведено на рис. 8.1.

У першій графі наведеної таблиці вказано номери найближчих до марш­рутизатора М2 мереж. У другій графі вказано вихідні порти маршрутизатора М2, в які необхідно передавати пакет, щоб він потрапив у мережу, номер якої вказано у цьому самому рядку першої графи. У третій графі вказано номери вхідних портів проміжних маршрутизаторів проходження пакета до вказаної мережі, а у четвертій графі — віддаль до потрібної мережі (число проміжних маршрутизаторів). При цьому номер порту маршрутизатора складається із номера мережі, якій він належить, та номера порту цього маршрутизатора. Наприклад, номер 5.24 означає, що четвертий порт маршрутизатора М2 належить мережі S5. Так, запис у другому рядку таблиці свідчить про те, що для передачі записаного у буферній пам'яті маршрутизатора М2 пакета у мережу S2 його потрібно спочатку скерувати у вихід­ний порт 1.21 цього маршрутизатора, а потім у вхідний порт 1.11 машрутизатора МІ. При цьому для потрапляння в мережу S2 пакету необхідно буде пройти один (МІ) проміжний маршрутизатор.

Запис default у восьмому рядку свідчить про те, що пакети, які скеровуються у мережу, не вказані у цій таблиці маршрутизації, необхідно скерувати спочатку у вихідний порт 4.23 маршрутизатора М2, а потім у вхідний порт 4.51 проміжного маршрутизатора М5.

Маршрутні таблиці обов'язково повинні містити маршрути до мереж з віддалю "0" і "1".

Таблиці маршрутизації кінцевих вузлів мережі будують за тим самим прин­ципом, що і таблиці проміжних вузлів. Таблиці маршрутизації проміжних вузлів є, як правило, динамічними і будуються автоматично в процесі їх роботи. Таблиці маршрутизації кінцевих вузлів будуються здебільшого адміністратором вручну і є статичними.

Наведений приклад побудови маршрутної таблиці проміжного вузла мережі має навчальний характер і не зорієнтований на використання конкретного стека комунікаційних протоколів. Різні стеки комунікаційних протоколів, викорис­товуючи описаний вище принцип маршрутизації пакетів, будують свої таблиці маршрутизації. Ці таблиці можуть відрізнятися від описаного вище прикладу як за формою, так і за параметрами, які в них використовуються.

8.4. Функції маршрутизаторів

Маршрутизатор (router), який зв'язує окремі різнорідні мережі передавання даних в одну об'єднану мережу, виконує декілька важливих функцій. Основною функцією маршрутизатора є побудова маршрутної таблиці та вибір на основі її аналізу оптимального маршруту просування пакета в мережі. В маршрутних таблицях можуть вказуватися як основні, так і резервні шляхи доступу до кінцевого вузла та їх характеристики. Крім функції вибору оптимального марш­руту, маршрутизатори виконують цілий ряд інших, найбільш важливими з яких є функції буферизації, фільтрації, інкапсуляції та фрагментизації пакетів і підтримка мережевих інтерфейсів. Важливою характеристикою маршрутизатора є швидкість виконання цих функцій.

Сучасний маршрутизатор є, по суті, потужним спеціалізованим комп'ютером з декількома високошвидкісними процесорами, які працюють під керуванням операційної системи реального часу. Функції маршрутизатора може також вико­нувати виділений комп'ютер, який має декілька мережевих адаптерів для під'єд-нання до локальних мереж або портів з апаратурою передавання даних для під'єднання до глобальних мереж передавання даних.

До важливих характеристик маршрутизатора належать:

а) число мережевих протоколів і протоколів маршрутизації, які він підтримує;

б) число інтерфейсів локальних і глобальних мереж, які він обслуговує;

в) загальна продуктивність маршрутизатора, яка становить від декількох
десятків тисяч до декількох мільйонів пакетів в секунду.

Функції маршрутизатора відповідно до моделі взаємодії відкритих систем OSI виконуються трьома рівнями: мережевим, канальним та фізичним.

Функціональну модель маршрутизатора розглянемо на прикладі схеми, наведеної на рис. 8.2.

Рівень мережевих інтерфейсів наведеної схеми забезпечує фізичний ін­терфейс з середовищем передачі однієї глобальної (Frame relay) і двох локальних (Ethernet і Fast Ethrnet) мереж. Фізичний та канальний рівні, які визначають мережеві інтерфейси маршрутизатора, забезпечують його зв'язок з фізичним середовищем мережі, виконують логічне та лінійне кодування сигналів, приймають електричні сигнали з лінії зв'язку, формують кадр та перевіряють його контрольну суму. Після обробки кадру відповідними протоколами нижніх рівнів та відкидання службової інформації цих рівнів коректний кадр передається мережевому рівню.

 

Рис. 8.2. Функціональна модель маршрутизатора

Протоколи мережевого рівня, своєю чергою, аналізують службову інфор­мацію, яка міститься в кадрі, перевіряють його контрольну суму та час життя. Після цього вони виконують фільтрацію за заданими адміністратором мережі критеріями. За високої інтенсивності надходження пакетів вони ставляться в чергу для їх подальшої обробки.

Мережеві протоколи на основі аналізу адреси отримувача пакета та своїх таблиць маршрутизації визначають номер вихідного порту, в який необхідно скерувати пакет. Протокол дозволу адрес перетворює мережеву адресу наступного маршрутизатора у локальну адресу тієї технології, мережі якої належить вхідний порт маршрутизатора. Сформований пакет із номером вихідного порту та локальною адресою вхідного порту наступного маршрутизатора передається на нижні рівні маршрутизатора, де він інкапсулюється в кадр відповідного формату і передається у фізичне середовище наступної мережі.

Протоколи маршрутизації мережевого рівня маршрутизатора відповідають за збирання інформації про структуру об'єднаної мережі та побудову таблиць марш­рутизації. Маршрутизатори з двома портами маршрутних таблиць, як правило, не будують. У таких маршрутизаторах пакет, який надходить на один з портів, пере­дається на інший порт. Маршрутизатори, які володіють трьома і більше портами, використовують здебільшого протоколи адаптивної однокрокової маршрутизації.