Что такое сеть назначения в роутере

6.1. Маршрутизаторы в сетевых технологиях

Объединение нескольких локальных сетей в глобальную ( распределенную, составную ) WAN—сеть происходит с помощью устройств и протоколов сетевого Уровня 3 семиуровневой эталонной модели или уровня
межсетевого взаимодействия четырехуровневой модели TCP/IP. Если
LAN объединяют рабочие станции, периферию, терминалы и другое
сетевое оборудование в одной аудитории или в одном здании, то WAN
обеспечивают соединение LAN на широком географическом пространстве. В составную распределенную сеть (internetwork, internet) входят
как локальные сети и подсети (subnet), так и отдельные пользователи.
Устройствами, объединяющими LAN в составную сеть, являются:

• маршрутизаторы (routers);
• модемы;
• коммуникационные серверы.

Наиболее распространенными устройствами межсетевого взаимодействия сетей, подсетей и устройств являются маршрутизаторы. Они
представляют собой специализированные компьютеры для выполнения
специфических функций сетевых устройств. В лекции 4
было показано, что маршрутизаторы используются, чтобы сегментировать
локальную сеть на широковещательные домены, т. е. являются устройствами LAN, но они применяются и как устройства формирования глобальных
сетей. Поэтому маршрутизаторы имеют как LAN-, так и WAN-интерфейсы.
Маршрутизаторы используют WAN-интерфейсы, чтобы связываться друг с
другом, и LAN-интерфейсы – для связи с узлами (компьютерами), например через коммутаторы. Поэтому маршрутизаторы являются устройствами
как локальных, так и глобальных сетей. Маршрутизаторы являются также
основными устройствами больших корпоративных сетей.

На
рис.
6.1 приведен пример того, как маршрутизаторы А, В и С
объединяют несколько локальных сетей (локальные сети № 1, № 2,
№ 3) в распределенную (составную) сеть. Поэтому маршрутизаторы имеют
интерфейсы как локальных, так и глобальных соединений. К локальным
сетям, созданным на коммутаторах, маршрутизатор присоединен через
интерфейсы, которые на
рис.
6.1 обозначены через F0/1, что означает:
интерфейс Fast Ethernet, слот 0, номер 1. Глобальные соединения на
рис.
6.1 представлены последовательными или серийными (serial) интерфейсами S0/1, S0/2. Через такой же последовательный интерфейс реализовано
соединение составной сети с сетью Интернет (Internet). Подобная структурная схема, включающая несколько последовательно соединенных
маршрутизаторов, характерна для многих корпоративных сетей.

В большинстве случаев соединение маршрутизатора локальной сети
с сетью Интернет производится через сеть провайдера. Терминальное
(оконечное) оборудование (Data Terminal Equipment – DTE ), к которому
относится и маршрутизатор, подсоединяется к глобальной сети (или к
сети провайдера) через канальное коммуникационное оборудование (Data
Communications Equipment, или Data Circuit-Terminating Equipment, – DCE ). Маршрутизатор обычно является оборудованием пользователя, а
оборудование DCE предоставляет провайдер. Услуги, предоставляемые
провайдером для терминальных устройств DTE, доступны через модем или цифровое устройство согласования с каналом связи (Channel Service
Unit / Data Service Unit – CSU/DSU), которые и являются оборудованием
DCE (
рис.
6.2). Оборудование DCE является ведущим в паре DCE—DTE,
оно обеспечивает синхронизацию и задает скорость передачи данных.

Поскольку маршрутизаторы в распределенных сетях (
рис.
6.1) часто
соединяются последовательно, из двух последовательно соединенных
серийных интерфейсов маршрутизаторов один должен выполнять роль
устройства DCE, а второй – устройства DTE (
рис.
6.3).

Главными функциями маршрутизаторов являются:

• выбор наилучшего пути для пакетов к адресату назначения;
• продвижение (коммутация) принятого пакета с входного интерфейса
  на соответствующий выходной интерфейс.

Таким образом, маршрутизаторы обеспечивают связь между сетями
и определяют наилучший путь пакета данных к сети адресата, причем технологии объединяемых локальных сетей могут быть различными.

Протоколы канального (data link) уровня WAN описывают, как по
сети передаются кадры. Они включают протоколы, обеспечивающие
функционирование через выделенные соединения «точка-точка» и через
коммутируемые соединения. Основными WAN протоколами и стандартами канального уровня являются: High-level Data Link Control (HDLC),
Point-to-Point Protocol (PPP), Synchronous Data Link Control (SDLC),
Serial Line Internet Protocol (SLIP), X.25, Frame Relay, ATM. Основными
протоколами и стандартами физического уровня являются: EIA/TIA-232,
EIA/TIA-449, V.24, V.35, X.21, G.703, EIA-530, ISDN, E1, E3, XDSL, SDH
(STM-1, STM-4 и др.).

Функционируя на Уровне 3 модели OSI, маршрутизаторы принимают
решения, базируясь на сетевых логических адресах (IP-адресах). Для определения наилучшего пути передачи данных через связываемые сети маршрутизаторы строят таблицы маршрутизации и обмениваются сетевой маршрутной
информацией с другими маршрутизаторами. Администратор может конфигурировать статические маршруты и поддерживать таблицы маршрутизации
вручную. Однако большинство таблиц маршрутизации создается и поддерживается динамически, за счет использования протоколов маршрутизации
(routing protocol), которые позволяют маршрутизаторам автоматически обмениваться информацией о сетевой топологии друг с другом.

Функционирование маршрутизаторов происходит под управлением сетевой операционной системы ( Internetwork Operation System – IOS ),
текущая ( running ) версия которой находится в оперативной памяти RAM
(
рис.
6.4). Помимо текущей версии IOS оперативная память хранит активный конфигурационный файл (Active Configuration File) и таблицы протоколов динамической маршрутизации, выполняет буферизацию пакетов и
поддерживает их очередь, обеспечивает временную память для конфигурационного файла маршрутизатора, пока включено питание.

Загрузка операционной системы IOS в оперативную память обычно
производится из энергонезависимой флэш-памяти ( Flash ), которая является перепрограммируемым запоминающим устройством ( ППЗУ ). После
модернизации IOS она перезаписывается во флэш-память, где может храниться несколько версий. Версию операционной системы можно также
сохранять на TFTP-сервере (
рис.
6.4).

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ – ROM) содержит программу начальной загрузки (bootstrap) и сокращенную версию операционной системы, установленную при изготовлении маршрутизатора. Обычно
эта версия IOS используется только при выходе из строя флэш-памяти.
Память ROM также поддерживает команды для теста диагностики аппаратных средств (Power-On Self Test – POST).

Энергонезависимая (non-volatile) оперативная память NVRAM маршрутизатора является перепрограммируемым запоминающим устройством
(ППЗУ). NVRAM хранит стартовый ( startup ) конфигурационный файл,
который после изменения конфигурации перезаписывается в ППЗУ, где
создается резервная копия ( backup ). Конфигурационные файлы содержат
команды и параметры для управления потоком трафика, проходящим
через маршрутизатор. Конфигурационный файл используется для выбора
сетевых протоколов и протоколов маршрутизации, которые определяют
наилучший путь для пакетов к адресуемой сети. Первоначально конфигурационный файл обычно создается с консольной линии (console) и
помимо памяти NVRAM может сохраняться на TFTP-сервере (
рис.
6.4).
Временное хранение входящих и исходящих пакетов обеспечивается в
памяти интерфейсов, которые могут быть выполнены на материнской
плате или в виде отдельных модулей.

При включении маршрутизатора начинает функционировать программа начальной загрузки bootstrap, которая тестирует оборудование
и загружает операционную систему IOS в оперативную память RAM.
В оперативную память загружается также конфигурационный файл, хранящийся в NVRAM. В процессе конфигурирования маршрутизатора задаются адреса интерфейсов, пароли, создаются таблицы маршрутизации,
устанавливаются протоколы, проводится проверка параметров. Процесс
коммутации и продвижения данных проходит под управлением операционной системы.

6.2. Принципы маршрутизации

Информационный поток данных, созданный на прикладном уровне,
на транспортном уровне «нарезается» на сегменты, которые на сетевом
уровне снабжаются заголовками и образуют пакеты (см.
рис.
1.7,
рис.
1.8).
Заголовок пакета содержит сетевые IP-адреса узла назначения и узла
источника. На основе этой информации средства сетевого уровня –
маршрутизаторы осуществляют передачу пакетов между конечными узлами составной сети по определенному маршруту.

Маршрутизатор оценивает доступные пути к адресату назначения и
выбирает наиболее рациональный маршрут на основе некоторого критерия – метрики. При оценке возможных путей маршрутизаторы используют информацию о топологии сети. Эта информация может быть сконфигурирована сетевым администратором или собрана в ходе динамического процесса обмена информацией между маршрутизаторами, который
выполняется в сети протоколами маршрутизации.

Пакет, принятый на одном ( входном ) интерфейсе, маршрутизатор
должен отправить ( продвинуть ) на другой (выходной) интерфейс (порт),
который соответствует наилучшему пути к адресату. Чтобы передать
пакеты от исходной сети (от источника) до сети адресата (назначения), на
сетевом Уровне 3 маршрутизаторы используют таблицы маршрутизации
для определения наиболее рационального пути.

Процесс прокладывания маршрута происходит последовательно от
маршрутизатора к маршрутизатору. При прокладывании пути для пакета
каждый маршрутизатор анализирует сетевую часть адреса узла назначения, заданного в заголовке поступившего пакета, т.е. вычленяет адрес
сети назначения. Затем маршрутизатор обращается к таблице маршрутизации, в которой хранятся адреса всех доступных сетей, и определяет
свой выходной интерфейс, на который необходимо передать (продвинуть)
пакет. Таким образом, маршрутизатор ретранслирует пакет, продвигая его
с входного интерфейса на выходной, для чего использует сетевую часть
адреса назначения, обращаясь к таблице маршрутизации.

Выходной интерфейс связан с наиболее рациональным маршрутом
к адресату. Конечный маршрутизатор на пути пакета непосредственно
(прямо) связан с сетью назначения. Он использует часть сетевого адреса,
содержащую адрес узла назначения, чтобы доставить пакет получателю
данных.

Процесс ретрансляции пакетов маршрутизаторами рассмотрен на
примере сети, приведенной на
рис.
6.5. Маршрутизаторы в целом сетевого адреса не имеют, но поскольку они связывают между собой несколько
сетей, каждый интерфейс (порт) маршрутизатора имеет уникальный
адрес, сетевая часть которого совпадает с номером сети, соединенной с
данным интерфейсом. Последовательные ( serial ) порты, соединяющие
между собой маршрутизаторы, на рисунке обозначены молниевидной
линией.

Путь от маршрутизатора A к маршрутизатору В может быть выбран:

1. через маршрутизатор С;
2. через маршрутизаторы D и E;
3. через маршрутизаторы F, G и H.

Оценка наилучшего пути производится на основе метрики. Например,
если метрика учитывает только количество маршрутизаторов на пути к
адресату, то будет выбран первый маршрут. Если же метрика учитывает
полосу пропускания линий связи, соединяющих маршрутизаторы, то
может быть выбран второй или третий маршрут при условии, что на этом
пути наиболее широкополосные линии связи.

При выборе первого пути функция коммутации реализуется за счет
продвижения поступившего на интерфейс 1а маршрутизатора A пакета
на интерфейс 2а. Таким образом, пакет попадает на интерфейс 1с маршрутизатора С, который продвинет полученный пакет на свой выходной
интерфейс 3с, т. е. передаст полученный пакет маршрутизатору В.

В процессе передачи пакета по сети используются как сетевые логические адреса (IP-адреса), так и физические адреса устройств (MAC-адреса в
сетях Ethernet). Например, при передаче информации с компьютера Host X
локальной сети Сеть 1, (
рис.
6.6) на компьютер Host Y, находящийся в удаленной Сети 2, определен маршрут через маршрутизаторы A, B, C.

Когда узел Host Х Сети 1 передает пакет адресату Host Y из другой Сети
2, ему известен сетевой IP-адрес получателя, который записывается в заголовке пакета, т. е. известен адрес 3-го уровня. При инкапсуляции пакета в
кадр источник информации Host Х должен задать в заголовке кадра канальные адреса назначения и источника, т. е. адрес 2-го уровня (табл. 6.1).

У передающего узла нет информации об адресе канального уровня
(MAC-адресе) узла назначения Host Y, поэтому Host Х в заголовке кадра
в качестве адреса назначения задаст MAC-адрес входного интерфейса 1а
маршрутизатора A. Именно через этот интерфейс, называемый шлюзом по
умолчанию (Default gateway), все пакеты из локальной Сети 1 будут передаваться в удаленные сети. Однако и этот адрес источнику информации Host
Х не известен. Процесс нахождения МАС-адреса по известному сетевому
адресу реализуется с помощью протокола разрешения адресов Address
Resolution Protocol – ARP, который входит в стек протоколов TCP/IP.

Маршрутизация работает на сетевом уровне модель взаимодействия открытых систем OSI. Маршрутизация —  это поиск маршрута доставки пакета в крупной составной сети через транзитные узлы, которые называются маршрутизаторы.

Маршрутизация состоит из двух этапов:

1. На первом этапе происходит изучение сети, какие подсети есть в этой составной сети, какие маршрутизаторы и как эти маршрутизаторы объединены между собой.
2. Второй этап маршрутизации выполняется когда сеть уже изучена и на маршрутизатор поступил пакет, для этого пакета нужно определить куда именно его отправить. Иногда для второго этапа маршрутизации используется отдельный термин “продвижение” по-английски forwarding.

Варианты действий маршрутизатора

В качестве примера, рассмотрим схему составной сети, здесь показаны отдельные подсети, для каждой подсети есть ее адрес и маска, а также маршрутизаторы, которые объединяют эти сети.

Рассмотрим маршрутизатор D, на него пришел пакет, и маршрутизатор должен решить, что ему делать с этим пакетом. Начнем с того, какие вообще возможны варианты действий у маршрутизатора. Первый вариант, сеть которой предназначен пакет подключена непосредственно к маршрутизатору. У маршрутизатора D таких сетей 3, в этом случае маршрутизатор передает пакет непосредственно в эту сеть.

Второй вариант, нужная сеть подключена к другому маршрутизатору (А), и известно, какой маршрутизатор нужен. В этом случае, маршрутизатор D передает пакет на следующий маршрутизатор, который может передать пакет в нужную сеть, такой маршрутизатор называется шлюзом.

Третий вариант, пришел пакет для сети, маршрут которой не известен, в этом случае маршрутизатор отбрасывает пакет. В этом отличие работы маршрутизатора от коммутатора, коммутатор отправляет кадр который он не знает куда доставить на все порты, маршрутизатор так не делает. В противном случае составная сеть очень быстро может переполнится мусорными пакетами для которых не известен маршрут доставки.

Что нужно знать маршрутизатору для того чтобы решить куда отправить пакет?

• Во-первых у маршрутизатора есть несколько интерфейсов, к которым подключены сети. Нужно определить в какой из этих интерфейсов отправлять пакет.
• Затем нужно определить, что именно делать с этим пакетом. Есть 2 варианта, можно передать пакет в сеть (192.168.1.0/24), либо можно передать его на один из маршрутизаторов подключенные к этой сети. Если передавать пакет на маршрутизатор, то нужно знать, какой именно из маршрутизаторов подключенных к этой сети, выбрать для передачи пакета.

Таблица маршрутизации

Эту информацию маршрутизатор хранит в таблице маршрутизации. На картинке ниже показан ее упрощенный вид, в которой некоторые служебные столбцы удалены для простоты понимания.

Первые два столбца это адрес и маска подсети, вместе они задают адрес подсети. Затем столбцы шлюз, интерфейс и метрика. Столбец интерфейс говорит о том, через какой интерфейс маршрутизатора нам нужно отправить пакет.

Таблица маршрутизации Windows

Продолжим рассматривать маршрутизатор D, у него есть три интерфейса. Ниже на картинке представлен вид таблицы маршрутизации для windows, которые в качестве идентификатора интерфейса используют ip-адрес, который назначен этому интерфейсу. Таким образом в столбце интерфейс есть 3 ip-адреса, которые соответствуют трем интерфейсам маршрутизатора.

Столбец шлюз, говорит что делать с пакетом, который вышел через заданный интерфейс. Для сетей, которые подключены напрямую к маршрутизатору D, в столбце шлюз, указывается «подсоединен», которое говорит о том, что сеть подключена непосредственно к маршрутизатору и передавать пакет нужно напрямую в эту сеть.

Если же нам нужно передать пакет на следующий маршрутизатор то в поле шлюз указывается ip-адрес этого маршрутизатора.

Таблица маршрутизации Linux

В операционной системе linux таблица маршрутизации выглядит немного по-другому, основное отличие это идентификатор интерфейсов. В linux вместо ip-адресов используется название интерфейсов. Например, wlan название для беспроводного сетевого интерфейса, а eth0 название для проводного интерфейса по сети ethernet.

Также здесь некоторые столбцы удалены для сокращения (Flags, Ref и Use). В других операционных системах и в сетевом оборудовании вид таблицы маршрутизации может быть несколько другой, но всегда будут обязательны столбцы ip-адрес, маска подсети, шлюз, интерфейс и метрика.

Только следующий шаг!

Часто возникает вопрос, что делать, если сеть для который пришел пакет находится не за одним маршрутизатором? Чтобы в неё попасть, нужно пройти не через один, а через несколько маршрутизаторов, что в этом случае нужно вносить в таблицу маршрутизации.

В таблицу маршрутизации записываем только первый шаг, адрес следующего маршрутизатора, все что находится дальше нас не интересует.

Считаем, что следующий маршрутизатор должен знать правильный маршрут до нужной нам сети, он знает лучше следующий маршрутизатор, тот знает следующий шаг и так далее, пока не доберемся до нужные нам сети.

Метрика

Можно заметить, что в нашей схеме в одну и ту же сеть, например вот в эту (10.2.0.0/16) можно попасть двумя путями, первый путь проходят через один маршрутизатор F, а второй путь через два маршрутизатора B и E.

В этом отличие сетевого уровня от канального. На канальном уровне у нас всегда должно быть только одно соединение, а на сетевом уровне допускаются и даже поощряются для обеспечения надежности несколько путей к одной и той же сети.

Какой путь выбрать? Для этого используются поле метрика таблицы маршрутизации.

Метрика это некоторое число, которые характеризует расстояние от одной сети до другой. Если есть несколько маршрутов до одной и той же сети, то выбирается маршрут с меньшей метрикой.

Раньше, метрика измерялось в количестве маршрутизаторов, таким образом расстояние через маршрутизатор F было бы один, а через маршрутизаторы B и E два.

Однако сейчас метрика учитывает не только количество промежуточных маршрутизаторов, но и скорость каналов между сетями, потому что иногда бывает выгоднее пройти через два маршрутизатора, но по более скоростным каналам. Также может учитываться загрузка каналов, поэтому сейчас метрика — это число, которое учитывает все эти характеристики. Мы выбираем маршрут с минимальной метрикой в данном примере выше, будет выбран первый маршрут через маршрутизатор F.

Записи в таблице маршрутизации

Откуда появляются записей в таблице маршрутизации? Есть два варианта статическая маршрутизация и динамическая маршрутизация.

При статической маршрутизации, записи в таблице маршрутизации настраиваются вручную, это удобно делать если у вас сеть небольшая и изменяется редко, но если сеть крупная, то выгоднее использовать динамическую маршрутизацию, в которой маршруты настраиваются автоматически. В этом случае маршрутизаторы сами изучают сеть с помощью протоколов маршрутизации RIP, OSPF, BGP и других.

Преимущество динамической маршрутизации в том, что изменение в сети могут автоматически отмечаться в таблице маршрутизации. Например, если вышел из строя один из маршрутизаторов, то маршрутизаторы по протоколам маршрутизации об этом узнают, и уберут маршрут, который проходит через этот маршрутизатор. С другой стороны, если появился новый маршрутизатор, то это также отразится в таблице маршрутизации автоматически.

Маршрут по умолчанию

Если маршрутизатор не знает куда отправить пакет, то такой пакет отбрасывается. Таким образом получается, что маршрутизатор должен знать маршруты ко всем подсетям в составной сети. На практике для крупных сетей, например для интернета это невозможно, поэтому используются следующие решения.

В таблице маршрутизации назначается специальный маршрутизатор по умолчанию, на которой отправляются все пакеты для неизвестных сетей, как правило это маршрутизатор, который подключен к интернет.

Предполагается что этот маршрутизатор лучше знает структуру сети, и способен найти маршрут в составной сети. Для обозначения маршрута по умолчанию, в таблице маршрутизации используются четыре нуля в адресе подсети и четыре нуля в маске (0.0.0.0, маска 0.0.0.0), а иногда также пишут default.

Ниже пример маршрута по умолчанию в таблице маршрутизации в операционной системе linux.

Ip-адрес и маска равны нулю, в адрес и шлюз указываются ip-адрес маршрутизатора по умолчанию.

Длина маски подсети

Рассмотрим пример. Маршрутизатор принял пакет на ip-адрес (192.168.100.23), в таблице маршрутизации есть 2 записи (192.168.100.0/24 и 192.168.0.0/16) под который подходит этот ip-адрес, но у них разная длина маски. Какую из этих записей выбрать? Выбирается та запись, где маска длиннее, предполагается, что запись с более длинной маской содержит лучший маршрут интересующей нас сети.

Чтобы понять почему так происходит, давайте рассмотрим составную сеть гипотетического университета. Университет получил блок ip-адресов, разделил этот блок ip-адресов на две части, и каждую часть выделил отдельному кампусу.

На кампусе находятся свои маршрутизаторы, на которых сеть была дальше разделена на части предназначенные для отдельных факультетов. Разделение сетей производится с помощью увеличения длины маски, весь блок адресов имеет маску / 16, блоки кампусов имеют маску / 17, а блоки факультетов / 18.

Ниже показан фрагмент таблицы маршрутизации на маршрутизаторе первого кампуса. Он содержит путь до сети первого факультета, 2 факультета, до обще университетской сети, который проходит через университетский маршрутизатор, а также маршрут по умолчанию в интернет, который тоже проходит через обще университетский маршрутизатор.

Предположим, что у на этот маршрутизатор пришел пакет предназначенный для второго факультета, что может сделать маршрутизатор? Он может выбрать запись, которая соответствует второму факультету и отправить непосредственно в сеть этого факультета, либо может выбрать запись, которая соответствует всей университетской сети, тогда отправит на университетский маршрутизатор, что будет явно неправильным.

И так получается, что выбирается всегда маршрут с маской максимальной длины. Общие правила выбора маршрутов следующие.

• Самая длинная маска 32 — это маршрут конкретному хосту, если в таблице маршрутизации есть такой маршрут, то выбирается он.
• Затем выполняется поиск маршрута подсети с маской максимальной длины.
• И только после этого используется маршрут по умолчанию, где маска / 0 под которую подходят все ip-адреса.

Следует отметить, что таблица маршрутизации есть не только у сетевых устройств маршрутизаторов, но и у обычных компьютеров в сети. Хотя у них таблица маршрутизации гораздо меньше.

• Как правило такая таблица содержит описание присоединенной сети, который подключен данный компьютер.
• Адрес маршрутизатора по умолчанию (шлюз или gateway) через который, выполняется подключение к интернет, или к корпоративной сети предприятия.
• А также могут быть дополнительные маршруты к некоторым знакомым сетям, но это необязательно.

Для того чтобы просмотреть таблицу маршрутизации, можно использовать команды route или ip route (route print (Windows); route и ip route (Linux)).

Маршрутизация — поиск маршрута доставки пакета между сетями через транзитные узлы — маршрутизаторы.