Анализ протокола передачи информации IP

В случае, если в таблице  маршрутов имеется более одной  строки, соответствующей одному и  тому же адресу сети назначения, то при  принятии решения о передаче пакета используется та строка, в которой  указано наименьшее значение в поле "Расстояние до сети назначения".

При этом под расстоянием  понимается любая метрика, используемая в соответствии с заданным в сетевом  пакете классом сервиса. Это может  быть количество транзитных маршрутизаторов  в данном маршруте (количество хопов  от hop - прыжок), время прохождения пакета по линиям связи, надежность линий связи, или другая величина, отражающая качество данного маршрута по отношению к конкретному классу сервиса. Если маршрутизатор поддерживает несколько классов сервиса пакетов, то таблица маршрутов составляется и применяется отдельно для каждого вида сервиса (критерия выбора маршрута).

Для отправки пакета следующему маршрутизатору требуется знание его  локального адреса, но в стеке TCP/IP в  таблицах маршрутизации принято  использование только IP-адресов для сохранения их универсального формата, не зависящего от типа сетей, входящих в интерсеть. Для нахождения локального адреса по известному IP-адресу необходимо воспользоваться протоколом ARP.

Конечный узел, как  и маршрутизатор, имеет в своем  распоряжении таблицу маршрутов унифицированного формата и на основании ее данных принимает решение, какому маршрутизатору нужно передавать пакет для сети N. Решение о том, что этот пакет нужно вообще маршрутизировать, компьютер принимает в том случае, когда он видит, что адрес сети назначения пакета отличается от адреса его собственной сети (каждому компьютеру при конфигурировании администратор присваивает его IP-адрес или несколько IP-адресов, если компьютер одновременно подключен к нескольким сетям ). Когда компьютер выбрал следующий маршрутизатор, то он просматривают кэш-таблицу адресов своего протокола ARP и, может быть, находит там соответствие IP-адреса следующего маршрутизатора его MAC- адресу. Если же нет, то по локальной сети передается широковещательный ARP-запрос и локальный адрес извлекается из ARP-ответа.

После этого компьютер формирует  кадр протокола, используемого на выбранном  порту, например, кадр Ethernet, в который  помещает МАС-адрес маршрутизатора. Маршрутизатор принимает кадр Ethernet, извлекает из него пакет IP и просматривает свою таблицу маршрутизации для нахождения следующего маршрутизатора. При этом он выполняет те же действия, что и конечный узел.

Одношаговая маршрутизация обладает еще одним преимуществом - она  позволяет сократить объем таблиц маршрутизации в конечных узлах и маршрутизаторах за счет использования в качестве номера сети назначения так называемого маршрута по умолчанию - default, который обычно занимает в таблице маршрутизации последнюю строку. Если в таблице маршрутизации есть такая запись, то все пакеты с номерами сетей, которые отсутствуют в таблице маршрутизации, передаются маршрутизатору, указанному в строке default. Поэтому маршрутизаторы часто хранят в своих таблицах ограниченную информацию о сетях интерсети, пересылая пакеты для остальных сетей в порт и маршрутизатор, используемые по умолчанию. Подразумевается, что маршрутизатор, используемый по умолчанию, передаст пакет на магистральную сеть, а маршрутизаторы, подключенные к магистрали, имеют полную информацию о составе интерсети.

Особенно часто приемом маршрутизации  по умолчанию пользуются конечные узлы. Хотя они также в общем случае имеют в своем распоряжении таблицу  маршрутизации, ее объем обычно незначителен, так как маршрутизация для  компьютера - не основное занятие. Главная роль в маршрутизации пакетов в концепции протокола IP отводится, естественно, маршрутизаторам, которые должны обладать гораздо более полными таблицами маршрутизации, чем конечные узлы. Конечный узел часто вообще работает без таблицы маршрутизации, имея только сведения об IP-адресе маршрутизатора по умолчанию. При наличии одного маршрутизатора в локальной сети этот вариант - единственно возможный для всех конечных узлов. Но даже при наличии нескольких маршрутизаторов в локальной сети , когда проблема их выбора стоит перед конечным узлом, задание маршрута по умолчанию часто используется в компьютерах для сокращения объема их маршрутной таблицы.

Другим способом разгрузки компьютера от необходимости ведения больших  таблиц маршрутизации является получение от маршрутизатора сведений о рациональном маршруте для какой-нибудь конкретной сети с помощью протокола ICMP.

Кроме маршрута default, в таблице маршрутизации  могут встретиться два типа специальных  записей - запись о специфичном для  узла маршруте и запись об адресах сетей, непосредственно подключенных к портам маршрутизатора.

Специфичный для узла маршрут содержит вместо номера сети полный IP-адрес, то есть адрес, имеющий ненулевую информацию не только в поле номера сети, но и  в поле номера узла. Предполагается, что для такого 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 N и ее отдельного узла, имеющего адрес N,D, при поступлении пакета, адресованного узлу N,D, маршрутизатор отдаст предпочтение записи для N,D.

Записи в таблице маршрутизации, относящиеся к сетям, непосредственно  подключенным к маршрутизатору, в  поле "Расстояние до сети назначения" содержат нули.

Еще одним отличием работы маршрутизатора и конечного узла при выборе маршрута является способ построения таблицы маршрутизации. Если маршрутизаторы обычно автоматически создают таблицы маршрутизации, обмениваясь служебной информацией, то для конечных узлов таблицы маршрутизации создаются, как правило, вручную администраторами, и хранятся в виде постоянных файлов на дисках.

Существуют различные алгоритмы  построения таблиц для одношаговой  маршрутизации. Их можно разделить  на три класса:

- алгоритмы фиксированной маршрутизации,

- алгоритмы простой маршрутизации,

- алгоритмы адаптивной маршрутизации.

Независимо от алгоритма, используемого для построения таблицы  маршрутизации, результат их работы имеет единый формат. За счет этого  в одной и той же сети различные узлы могут строить таблицы маршрутизации по своим алгоритмам, а затем обмениваться между собой недостающими данными, так как форматы этих таблиц фиксированы. Поэтому маршрутизатор, работающий по алгоритму адаптивной маршрутизации, может снабдить конечный узел, применяющий алгоритм фиксированной маршрутизации, сведениями о пути к сети, о которой конечный узел ничего не знает.

 

 

1)Фиксированная маршрутизация

Этот алгоритм применяется  в сетях с простой топологией связей и основан на ручном составлении  таблицы маршрутизации администратором сети. Алгоритм часто эффективно работает также для магистралей крупных сетей, так как сама магистраль может иметь простую структуру с очевидными наилучшими путями следования пакетов в подсети, присоединенные к магистрали.

Различают одномаршрутные таблицы, в которых для каждого  адресата задан один путь, и многомаршрутные  таблицы, определяющие несколько альтернативных путей для каждого адресата. При  использовании многомаршрутных  таблиц должно быть задано правило  выбора одного из них. Чаще всего один путь является основным, а остальные - резервными.

 

2) Простая маршрутизация

Алгоритмы простой маршрутизации  подразделяются на три подкласса:

Случайная маршрутизация - пакеты передаются в любом, случайном  направлении, кроме исходного.

Лавинная маршрутизация - пакеты передаются во всех направлениях, кроме исходного (применяется в  мостах для пакетов с неизвестным  адресом доставки).

Маршрутизация по предыдущему  опыту - таблицы маршрутов составляются на основании данных, содержащихся в проходящих через маршрутизатор пакетах. Именно так работают прозрачные мосты, собирая сведения об адресах узлов, входящих в сегменты сети. Такой способ маршрутизации обладает медленной адаптируемостью к изменениям топологии сети.

 

3) Адаптивная маршрутизация

Это основной вид алгоритмов маршрутизации, применяющихся маршрутизаторами в современных сетях со сложной  топологией. Адаптивная маршрутизация  основана на том, что маршрутизаторы периодически обмениваются специальной  топологической информацией об имеющихся в интерсети сетях, а также о связях между маршрутизаторами. Обычно учитывается не только топология связей, но и их пропускная способность и состояние.

Адаптивные протоколы  позволяют всем маршрутизаторам  собирать информацию о топологии  связей в сети, оперативно отрабатывая все изменения конфигурации связей. Эти протоколы имеют распределенный характер, который выражается в том, что в сети отсутствуют какие-либо выделенные маршрутизаторы, которые бы собирали и обобщали топологическую информацию: эта работа распределена между всеми маршрутизаторами.

 

1.4 Пример взаимодействия узлов с использованием протокола IP

 

На примере интерсети  рассматривают каким образом  происходит взаимодействие компьютеров  через маршрутизаторы и доставка пакетов компьютеру назначения.

Пусть в приведенном  примере пользователь компьютера cit.dol.ru, находящийся в сети Ethernet с IP-адресом 194.87.23.0 (адрес класса С), хочет взаимодействовать  по протоколу FTP с компьютером s1.msk.su, принадлежащем сети Ethernet с IP-адресом 142.06.0.0 (адрес класса В). Компьютер cit.dol.ru имеет IP-адрес 194.87.23.1.17, а компьютер s1.msk.su - IP- адрес 142.06.13.14.

Пользователь компьютера cit.dol.ru знает символьное имя компьютера s1.msk.su, но не знает его IP-адреса, поэтому  он набирает команду

 

> ftp s1.msk.su  

 

для организации ftp-сеанса.

 

В компьютере cit.dol.ru должны быть заданы некоторые параметры  для стека TCP/IP, чтобы он мог выполнить  поставленную перед ним задачу.

В число этих параметров должны входить собственный IP-адрес, IP-адрес DNS-сервера и IP- адрес маршрутизатора по умолчанию. Так как к сети Ethernet, к которой относится компьютер cit.dol.ru, подключен только один маршрутизатор, то таблица маршрутизации конечным узлам этой сети не нужна, достаточно знать IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. В данном примере он равен 194.87.23.1.

 

Так как пользователь в команде ftp не задал IP-адрес узла, с которым он хочет взаимодействовать, то стек TCP/IP должен определить его самостоятельно. Он может сделать запрос к серверу DNS по имеющемуся у него IP-адресу, но обычно каждый компьютер сначала просматривает свою собственную таблицу соответствия символьных имен и IP- адресов. Такая таблица хранится чаще всего в виде текстового файла простой структуры - каждая его строка содержит запись об одном символьном имени и его IP-адресе. В ОС Unix такой файл традиционно носит имя HOSTS.

Будем считать, что компьютер cit.dol.ru имеет файл HOSTS, а в нем  есть строка

 

142.06.13.14 s1.msk.su.  

 

Поэтому разрешение имени  выполняется локально, так что  протокол IP может теперь формировать IP-пакеты с адресом назначения 142.06.13.14 для взаимодействия с компьютером s1.msk.su.

Протокол IP компьютера cit.dol.ru проверяет, нужно ли маршрутизировать пакеты для адреса 142.06.13.14. Так как  адрес сети назначения равен 142.06.0.0, а адрес сети , к которой принадлежит компьютер , равен 194.87.23.0, то маршрутизация необходима.

Компьютер cit.dol.ru начинает формировать кадр Ethernet для отправки IP-пакета маршрутизатору по умолчанию  с IP-адресом 194.87.23.1. Для этого ему нужен МАС-адрес порта маршрутизатора, подключенного к его сети. Этот адрес скорее всего уже находится в кэш-таблице протокола ARP компьютера , если он хотя бы раз за последнее включение обменивался данными с компьютерами других сетей . Пусть этот адрес в нашем примере был найден именно в кэш-памяти. Обозначим его МАС11, в соответствии с номером маршрутизатора и его порта.

В результате компьютер cit.dol.ru отправляет по локальной сети кадр Ethernet, имеющий  следующие поля:

 

DA (Ethernet) ... DESTINATION IP ... ...  

МАС 11   142.06.13.14    

 

Кадр принимается портом 1 маршрутизатора 1 в соответствии с протоколом Ethernet, так как МАС-узел этого порта  распознает свой адрес МАС11. Протокол Ethernet извлекает из этого кадра IP-пакет  и передает его программному обеспечению маршрутизатора, реализующему протокол IP. Протокол IP извлекает из пакета адрес назначения и просматривает записи своей таблицы маршрутизации. Пусть маршрутизатор 1 имеет в своей таблице маршрутизации запись

 

142.06.0.0 135.12.0.11 2 1,  

 

которая говорит о том, что пакеты для сети 142.06. 0.0 нужно передавать маршрутизатору 135.12.0.11, подключенному  к той же сети, что и порт 2 маршрутизатора 1.

Маршрутизатор 1 просматривает параметры  порта 2 и находит, что он подключен  к сети FDDI. Так как сеть FDDI имеет значение максимального транспортируемого блока MTU больше, чем сеть Ethernet, то фрагментация поля данных IP-пакета не требуется. Поэтому маршрутизатор 1 формирует кадр формата FDDI, в котором указывает MAC-адрес порта маршрутизатора 2, который он находит в своей кэш-таблице протокола ARP:

 

DA (FDDI) ... DESTINATION IP ... ...  

МАС 21   142.06.13.14    

 

Аналогично действует  маршрутизатор 2, формируя кадр Ethernet для  передачи пакета маршрутизатору 3 по сети Ethernet c IP-адресом 203.21.4.0:

 

DA (Ethernet) ... DESTINATION IP ... ...  

МАС 32   142.06.13.14

 

Наконец, после того, как  пакет поступил в маршрутизатор  сети назначения - маршрутизатор 3, появляется возможность передачи этого пакета компьютеру назначения. Маршрутизатор 3 видит, что пакет нужно передать в сеть 142.06.0.0, которая непосредственно подключена к его первому порту. Поэтому он посылает ARP-запрос по сети Ethernet c IP- адресом компьютера s1.msk.su (считаем, что этой информации в его кэше нет), получает ответ, содержащий адрес MACs1, и формирует кадр Ethernet, доставляющий IP-пакет по локальной сети адресату.

 

DA (Ethernet) ... DESTINATION IP ... ...  

МАС s1   142.06.13.14