Тема: Маршрутизация с использованием сетевых адресов

Важнейшей задачей сетевого уровня является маршрутизация – передача пакетов между двумя конечными узлами в составной сети.

Маршрутизаторы имеют по несколько портов (по крайней мере, два), к которым присоединяются сети. Каждый порт маршрутизатора можно рассматривать как отдельный узел сети: он имеет собственный сетевой адрес и собственный локальный адрес в той подсети, которая к нему подключена. Таким образом, маршрутизатор можно рассматривать как совокупность нескольких узлов, каждый из которых входит в свою сеть. Как единое устройство маршрутизатор не имеет ни отдельного сетевого адреса, ни какого-либо локального адреса.

В сложных составных сетях почти всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Маршрут – это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения. Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы. 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.

Чтобы по адресу сети назначения можно было бы выбрать рациональный маршрут дальнейшего следования пакета, каждый конечный узел и маршрутизатор анализируют специальную информационную структуру, которая называется таблицей маршрутизации.

В первом столбце таблицы перечисляются номера сетей, входящих в интерсеть. В каждой строке таблицы следом за номером сети указывается сетевой адрес следующего маршрутизатора (более точно, сетевой адрес соответствующего порта следующего маршрутизатора), на который надо направить пакет, чтобы тот передвигался по направлению к сети с данным номером по рациональному маршруту.

Когда на маршрутизатор поступает новый пакет, номер сети назначения, извлеченный из поступившего кадра, последовательно сравнивается с номерами сетей из каждой строки таблицы. Строка с совпавшим номером сети указывает, на какой ближайший маршрутизатор следует направить пакет.

Поскольку пакет может быть адресован в любую сеть составной сети, может показаться, что каждая таблица маршрутизации должна иметь записи обо всех сетях, входящих в составную сеть. Но при таком подходе в случае крупной сети объем таблиц маршрутизации может оказаться очень большим, что повлияет на время ее просмотра, потребуется много места для хранения. Поэтому на практике число записей в таблице маршрутизации стараются уменьшить за счет использования специальной записи – «маршрутизатор по умолчанию» (default). Действительно, если принять во внимание топологию составной сети, достаточно записать номера сетей, непосредственно подсоединенных к данному маршрутизатору или расположенных по близости, на тупиковых маршрутах. Обо всех же остальных сетях можно сделать в таблице единственную запись, указывающую на маршрутизатор, через который пролегает путь ко всем этим сетям. Такой маршрутизатор называется маршрутизатором по умолчанию, а вместо номера сети в соответствующей строке помещается особая запись, например default.

Некоторые реализации сетевых протоколов допускают наличие в таблице маршрутизации сразу нескольких строк, соответствующих одному и тому же адресу сети назначения. В этом случае при выборе маршрута принимается во внимание столбец «Расстояние до сети назначения». При этом под расстоянием понимается любая метрика, используемая в соответствии с заданным в сетевом пакете критерием (часто называем классом сервиса). Расстояние может измеряться хопами, временем прохождения пакета по линиям связи, какой-либо характеристикой надежности линий связи на данном маршруте или другой величиной, отражающей качество данного маршрута по отношению к заданному критерию. Обычно каждому сегменту, составляющему маршрут, присваивается некоторая величина - оценка этого сегмента. Каждый протокол маршрутизации использует свою систему оценки маршрутов Здесь следует обратить внимание на то, что при выборе маршрута всем сегментам пути должны быть даны сопоставимые значения метрики. Недопустимо, чтобы одни сегменты оценивались числом шагов, а другие - по величине задержки в миллисекундах.

IP делит все ЭВМ на маршрутизаторы и обычные ЭВМ (host), последние, как правило, не рассылают свои маршрутные таблицы. Предполагается, что маршрутизатор владеет исчерпывающей информацией о правильных маршрутах (хотя это и не совсем так). Обычная ЭВМ имеет минимальную маршрутную информацию (например, адрес маршрутизатора локальной сети и сервера имен). Таким образом, задачу маршрутизации решают не только промежуточные узлы-маршрутизаторы, но и конечные узлы – компьютеры. Средства сетевого уровня, установленные на конечном узле, при обработке пакета должны, прежде всего, определить, направляется ли он в другую сеть или адресован какому-либо узлу данной сети. Если номер сети назначения совпадает с номером данной сети, то для данного пакета не требуется решать задачу маршрутизации. Если же номера сетей отправления и назначения не совпадают, то маршрутизация нужна. Таблицы маршрутизации конечных узлов полностью аналогичны таблицам маршрутизации, хранящимся на маршрутизаторах.

Первым источником является программное обеспечение стека TCP/IP. При инициализации маршрутизатора это программное обеспечение автоматически заносит в таблицу несколько записей, в результате чего создается так называемая минимальная таблица маршрутизации.

Это, во-первых, записи о непосредственно подключенных сетях и маршрутизаторах по умолчанию, информация о которых появляется в стеке при ручном конфигурировании интерфейсов компьютера или маршрутизатора.

Во-вторых, программное обеспечение автоматически заносит в таблицу маршрутизации записи об адресах особого назначения, например адрес 127.0.0.0 (loopback), который используется для локального тестирования стекаTCP/IP. Пакеты, направленные в сеть с номером 127.0.0.0, не передаются протоколомIPна канальный уровень для последующей передачи в сеть, а возвращаются в источник – локальный модульIP. Записи с адресом 224.0.0.0 требуются для обработки групповых адресов (multicastaddress). Кроме того, в таблицу могут быть занесены адреса, предназначенные для обработки широковещательных рассылок. В некоторых таблицах особые адреса отсутствуют.

Вторым источником появления записи в таблице является администратор, непосредственно формирующий запись с помощью некоторой системной утилиты, например программы route, имеющейся в операционных системахUnixиWindowsNT. В аппаратных маршрутизаторах также всегда имеется команда для ручного задания записей в таблице маршрутизации. Заданные вручную записи всегда являются статическими, то есть не имеют срока истечения жизни. Эти записи могут быть как постоянными, то есть сохраняющимися при перезагрузке маршрутизатора, так и временными, хранящимися в таблице только до выключения устройства. Часто администратор вручную заносит записьdefaultо маршрутизаторе по умолчанию. Таким же образом в таблицу может быть занесена запись о специфичном маршруте. Специфический для узла маршрут содержит вместо номера сети полныйIPадрес, то есть адрес, имеющий ненулевую информацию не только в поле номера сети, но и в поле номера узла. Предполагается, что для такого типа конечного узла маршрут должен выбираться не так, как для всех остальных узлов сети, к которой он относится. В случае когда в таблице есть разные записи о продвижении пакетов для всей сети и ее отдельного узла, при поступлении пакета, адресованного узлу, маршрутизатор отдаст предпочтение записи с полным адресом узла.

Третьим источником записей могут быть протоколы маршрутизации, такие как RIPилиOSPF. Такие записи всегда являются динамическими, то есть имеют ограниченный срок жизни.

Традиционная схема деления IP-адреса на номер сети и номер узла основана на понятии класса, который определяется значениями нескольких первых бит адреса. Именно потому, что первый байт адреса 185.23.44.206 попадает в диапазон 128-191, мы можем сказать, что этот адрес относится к классуB, а значит, номером сети являются первые два байта, дополненные двумя ненулевыми байтами – 185.23.0.0, а номером узла – 0.0.44.206. Характеристики адресов разного класса представлены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики адресов разного класса

Класс	Первые биты	Наименьший номер сети	Наибольший номер сети	Возможное количество
				сетей	узлов
A	0	1.0.0.0	126.0.0.0	126	16777214
B	10	128.0.0.0	191.255.0.0	16328	65534
C	110	192.0.1.0	223.255.255.0	2097150	254
D	1110	225.0.0.0	239.255.255.255	-
E	11110	240.0.0.0	247.255.255.255	-

В последнее время в качестве признака, с помощью которого можно более гибко устанавливать границу между номером сети и номером узла, широкое распространение получили маски. Маска – это число, которое используется в паре сIP-адресом; двоичная запись маски содержит единицы в тех разрядах, которые должны вIP-адресе интерпретироваться как номер сети. Поскольку номер сети является цельной частью адреса, единицы в маске также должны представлять непрерывную последовательность.

Для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения:

· класс А – 11111111.00000000.00000000.00000000 (255.0.0.0);

· класс B– 11111111.11111111.00000000.00000000 (255.255.0.0);

· класс С – 11111111.11111111.11111111.00000000 (255.255.255.0).

Снабжая каждый IP-адрес маской, можно отказаться от понятий классов адресации и сделать более гибкой систему адресации. Например, если рассмотренный выше адрес 185.23.44.206 ассоциировать с маской 255.255.255.0, то номером сети будет 185.23.44.0, а не 185.23.0.0, как это было определено системой классов.

В масках количество единиц в последовательности, определяющей границу номера сети, не обязательно должно быть кратным 8, чтобы повторять деление адреса на байты. Пусть, например, для IP-адреса 129.64.134.5 указана маска 255.255.128.0, то есть в двоичном виде:

IP-адрес 129.64.134.5 – 10000001. 01000000. 10000110. 00000101

Маска 255.255.128.0 – 11111111. 11111111. 10000000. 00000000

Если игнорировать маску, то в соответствии с системой классов адрес 129.64.134.5 относится к классу B, а значит, номером сети являются первые 2 байта – 129.64.0.0, а номером узла – 0.0.134.5.

Если же использовать для определения границы номера сети маску, то 17 последовательных единиц в маске, «наложенные» на IP-адрес, определяют в качестве номера сети в двоичном выражении число:

10000001. 01000000. 10000000. 00000000

или в десятичной форме записи – номер сети 129.64.128.0, а номер узла 0.0.6.5.

Механизм масок широко распространен в IP-маршрутизации, причем маски могут использоваться для самых разных целей. С их помощью администратор может структурировать свою сеть, не требуя от поставщика услуг дополнительных номеров сетей. На основе этого же механизма поставщики услуг могут объединять адресные пространства нескольких сетей путем введения так называемых «префиксов» с целью уменьшения объема таблиц маршрутизации и повышения за счет этого производительности маршрутизаторов.