ЛЕКЦИЯ Маршрутизаторы Общие понятия Рассматриваемые вопросы

ЛЕКЦИЯ «Маршрутизаторы» Общие понятия

Рассматриваемые вопросы: • 1. Общие понятия маршрутизации • 2. Основные принципы функционирования IP-сетей • 3. Адресация в IP-сетях • 4. IP-маршрутизация • 5. Реализация маршрутизаторов

Общие понятия маршрутизации Реализация протокола сетевого уровня подразумевает наличие в сети специального устройства - маршрутизатора. Маршрутизаторы объединяют отдельные сети в общую составную сеть. Внутренняя структура каждой сети не имеет значения при рассмотрении сетевого протокола. К каждому маршрутизатору могут быть присоединены несколько сетей (по крайней мере две). Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения. Router работает как мост, но для фильтрации трафика он использует не адрес сетевой карты ПК, а информацию о сетевом адресе который содержится в передаваемом пакете.

IP-маршрутизаторы • IP-маршрутизатор – это специальное устройство, предназначенное для объединения сетей и обеспечивающее определение пути прохождения пакетов в составной сети. Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей, соответствующими номерам объединяемых сетей. • В качестве IP-маршрутизатора может быть использован компьютер, системное программное обеспечение которого позволяет осуществлять IP-маршрутизацию. В частности, маршрутизатор можно организовать на базе компьютера под управлением любой из операционных систем семейства Microsoft Windows 2000 Server. • Маршрутизация осуществляется на узле-отправителе в момент отправки IP-пакета, а затем на IPмаршрутизаторах.

Основные принципы функционирования IP-сетей

Структура пакета IPv 4 Версия — для IPv 4 значение поля должно быть равно 4. IHL — (Internet Header Length) длина заголовка IP-пакета в 32 -битных словах (dword). Именно это поле указывает на начало блока данных (англ. payload — полезный груз) в пакете. Минимальное корректное значение для этого поля равно 5. Идентификатор — значение, назначаемое отправителем пакета и предназначенное для определения корректной последовательности фрагментов при сборке датаграммы. Для фрагментированного пакета все фрагменты имеют одинаковый идентификатор. 3 бита флагов. Первый бит должен быть всегда равен нулю, второй бит DF (don’t fragment) определяет возможность фрагментации пакета и третий бит MF (more fragments) показывает, не является ли этот пакет последним в цепочке пакетов. Смещение фрагмента — значение, определяющее позицию фрагмента в потоке данных. Смещение задается количеством восьми байтовых блоков, поэтому это значение требует умножения на 8 для перевода в байты. Время жизни (TTL) — число маршрутизаторов, которые должен пройти этот пакет. При прохождении маршрутизатора это число уменьшатся на единицу. Если значения этого поля равно нулю то, пакет должен быть отброшен и отправителю пакета может быть послано сообщение Time Exceeded (ICMP код 11 тип 0). Протокол — идентификатор интернет-протокола следующего уровня указывает, данные какого протокола содержит пакет, например, TCP или ICMP (см. IANA protocol numbers и RFC 1700). В IPv 6 называется «Next Header» . Контрольная сумма заголовка — вычисляется с использованием операций поразрядного сложения 16 -разрядных слов заголовка по модулю 2. Сама контрольная сумма является дополнением по модулю один полученного результата сложения.

Тип обслуживания • • Тип обслу живания (Type of Service, акроним TOS) — байт, содержащий набор критериев, определяющих тип обслуживания IP-пакетов. Поле в заголовке пакета IPv 4, которое с годами приобретало различные цели, и описывалось почти в пяти RFC. В настоящее время TOS поле имеет 6 bit поля Diff. Serv Code Point (DSCP) и 2 -bit поля Explicit Congestion Notification. Байт побитно: 0 -2 — приоритет (precedence) данного IP-сегмента 3 — требование ко времени задержки (delay) передачи IP-сегмента (0 — нормальная, 1 — низкая задержка) 4 — требование к пропускной способности (throughput) маршрута, по которому должен отправляться IP-сегмент (0 — низкая, 1 — высокая пропускная способность) 5 — требование к надежности (reliability) передачи IP-сегмента (0 — нормальная, 1 — высокая надежность) 6 -7 — ECN — явное сообщение о задержке (управление IP-потоком).

Explicit Congestion Notification • • • Explicit Congestion Notification (ECN) — (Явное Уведомление о Перегруженности) — расширение протокола IP, описанное в RFC 3168. ECN позволяет обеим сторонам в сети узнавать о возникновении затора на маршруте к заданному хосту или сети без отбрасывания пакетов. Это дополнительная функция, которая используется только в том случае, когда обе конечные точки обмена информацией сообщают, что они хотят её использовать. Обычно, узлы TCP/IP сетей сообщают о возникновении затора путем отбрасывания пакетов. Если ECN сессия успешно установлена, поддерживающие расширение ECN маршрутизаторы могут сигнализировать о начале заторов устанавливая биты в заголовке IP, а не удаляя пакеты. Получатель пакетов информирует отправителя о заторе, который должен реагировать так, как будто был обнаружен сброс пакетов. ECN использует два бита в Diff. Serv области в заголовке IP, для IPv 4 в байте TOS, а в IPv 6 в октете класса передачи пакета. Эти два бита могут использоваться для установки в одно из следующих значений: поток поддерживающий ECN: англ. ECN-Capable Transport (ECT) поток не поддерживающий ECN: англ. Not-ECN-Capable Transport (Not-ECT) подтвержденная перегрузка: англ. Congestion Experienced (CE)

Тип обслуживания • Одно-октетное поле тип сервиса (TOS - type of service) характеризует то, как должна обрабатываться дейтограмма. Это поле делится на 6 субполей: • Субполе Приоритет предоставляет возможность присвоить код приоритета каждой дейтограмме. Значения приоритетов приведены в таблице (в настоящее время это поле не используется). 0 Обычный уровень 1 Приоритетный 2 Немедленный 3 Срочный 4 Экстренный 5 ceitic/ecp 6 Межсетевое управление 7 Сетевое управление Формат поля TOS определен в документе RFC-1349. Биты C, D, T и R характеризуют пожелание относительно способа доставки дейтограммы. Так D=1 требует минимальной задержки, T=1 - высокую пропускную способность, R=1 - высокую надежность, а C=1 - низкую стоимость. TOS играет важную роль в маршрутизации пакетов. Интернет не гарантирует запрашиваемый TOS, но многие маршрутизаторы учитывают эти запросы при выборе маршрута (протоколы OSPF и IGRP). Только один бит из четырех в TOS может принимать значение 1. Значения по умолчанию равны нулю. • •

Значения TOS

Структура пакета IPv 6 Версия — для IPv 6 значение поля должно быть равно 6. Класс трафика — определяет приоритет трафика (Qo. S, класс обслуживания). Метка потока — уникальное число, одинаковое для однородного потока пакетов. Длина полезной нагрузки — длина данных (заголовок IP-пакета не учитывается). Следующий заголовок — задаёт тип расширенного заголовка (англ. IPv 6 extension), который идёт следующим. В последнем расширенном заголовке поле Next header задаёт тип транспортного протокола (TCP, UDP и т. д. ) и определяет следующий инкапсулированный уровень. Число переходов — максимальное число маршрутизаторов, которые может пройти пакет. При прохождении маршрутизатора это значение уменьшается на единицу и по достижении нуля пакет отбрасывается.

Поле класс трафика • • Приоритет пакетов маршрутизаторы определяют на основе первых шести бит поля Traffic Class. Первые три бита определяют класс трафика, оставшиеся биты определяют приоритет удаления. Чем больше значение приоритета, тем выше приоритет пакета. Разработчики IPv 6 рекомендуют использовать для определённых категорий приложений следующие коды класса трафика:

IPv 6 (детализация) Основой всего IPv 6 является документ RFC 2460: Internet Protocol, Version 6 (IPv 6) Specification, который содержит в первую очередь формат датаграммы (пакета). Остальным механизмам и форматам данных, которые связаны с IPv 6, посвящены другие RFC спецификации. Пакет в IPv 6 имеет стандартный вид — начинается заголовками, за которыми следуют данные. В сравнении с IPv 4 мы можем наблюдать значительные изменения в заголовках. Изменения носят концептуальный характер. Раньше их длина была изменяемой и отдельные участники коммуникации могли присоединять к заголовкам необязательные поля. Заголовок IPv 4 содержал в себе контрольную сумму, которую нужно было снова пересчитать на каждом роутере, через который проходил пакет (т. к. минимально изменялся хотя бы TTL). В IPv 6 пакете заголовок был изменён таким образом, чтобы количество передаваемой информации в нём было уменьшено до необходимого минимума. Этот фиксированный заголовок всегда одной длины. Все дополнительные, необязательные или случайные данные были передвинуты в дополнительные заголовки, которые в пакете могут, но не обязаны присутствовать.

IPv 6 (детализация) • Фиксированный заголовок На представленной картинке изображён фиксированный заголовок. Несмотря на то, что адреса отправителя и получателя были увеличены в четыре раза, общий размер заголовка вырос по сравнению с IPv 4 всего в 2 раза (с 20 Байт на 40, из этого 32 Байта занимают адреса). Минимализм виден невооружённым глазом. Версия (Version) Это обыкновенная начальная часть IP датаграммы, которая идентифицирует версию протокола. В нашем случае, это IPv 6.

IPv 6 (детализация) • Класс трафика (Traffic Class) После поля версии следует 8 -битный класс трафика, который указывает приоритет датаграммы или его принадлежность к определённому передаваемому классу. Целью этого поля является осуществление возможности приоритезации и предоставления услуг с обеспеченным уровнем качества. На практике это далеко не так и вряд ли так будет в ближайшее время. IP протокол (включая 6 версию) не умеет обеспечить транспортные параметры, такие, как скорость передачи данных, задержка или рассеивание. Однако с помощью IP можно предоставлять так называемые дифферинцированные услуги. С их помощью у датаграмм могут быть назначены различные приоритеты, которые ведут к тому, чтобы определённые датаграммы были обработаны первыми, а другие были отложены и обрабатывались после. Именно дифферинцированные услуги используют для передачи своих данных поле «класс» трафика. В самом определении IPv 6 никаким образом не описано, как использовать это поле, есть только предписание по умолчанию ставить всегда 0.

IPv 6 (детализация) • Метка потока (Flow Label) Следующих 20 бит выделено метке потока. Концепция потока — это новшество в IPv 6 и, также как и класс трафика, описана пока что неполностью. В принципе, потоком обозначены пакеты с различными свойствами (отправитель, адресат и т. п. ) С помощью идентификатора роутер быстро определит, что пакет - это часть определённого потока и на основании этого решит, что с ним делать дальше (с ним будет сделано тоже, что и с предыдущими пакетами в потоке). Как уже было сказано, метка потока — это экспериментальное свойство и толком пока его никто не определил.

IPv 6 (детализация) • Длина данных (Payload Length) Длина данных содержит информацию о размере пакета. Точнее сказать, о количестве байтов, следующих за стандартным заголовком. Из этого следует, что заголовок не включён в этот объём, в то время, как расширенные заголовки включены. Т. к. это поле двухбайтное, максимальная длина 64 KB. Если требуется создать пакет с большим объёмом, следует воспользоваться дополнительным заголовком Jumbo. Следующий заголовок (Next Header) Next header — определение следующего заголовка, который идёт после фиксированного.

IPv 6 (детализация) • Максимальное количество пересылок (Hop Limit) Это поле используется как альтернатива и замена к TTL из IPv 4. Прохождение пакетом одного роутера считается одной пересылкой (прыжком). Отправитель в этом пункте указывает максимальное количество таких прыжков для пакета. Каждый роутер по дороге снижает цифру на 1. Если значение поля доходит до 0, то пакет будет ликвидирован, а отправителю будет отправлено ICMP сообщение о истечении максимального количества пересылок. Смыслом всего этого является избежание петлей при роутинге (зацикленный пакет мог бы пугать весь Интернет очень долго). IP Адреса Последние два пункта — это адрес получателя и адрес отправителя. Эти два поля занимают 80 % всего фиксированного заголовка.

Адресация в IP-сетях

Адресация в IP-сетях Multicast Не используется Multicast (англ. групповая передача) - специальная форма широковещания, при которой сетевой пакет одновременно направляется определённому подмножеству адресатов - не одному (unicast), и не всем (broadcast).

Адресация в IP-сетях

Адресация в IP-сетях Широковещательный адрес

Адресация в IP-сетях

IP-маршрутизация

IP-маршрутизация • RIP (Routing Information Protocol) - протокол маршрутной информации, использует алгоритм Белмана-Форда. Выбирается самый короткий маршрут (distance-vector). • OSPF (Open Shortest Path First) - открытый протокол выбора кратчайшего маршрута (алгоритм Дейкстры), является протоколом состояния канала (link-state). Протокол OSPF считается преемником протокола RIP и обладает рядом дополнительных функций. IP-маршрутизация

IP-маршрутизация

Типы маршрутизаторов • • • Есть два типа Router'ов: 1. Статические Router'ы. В таких устройствах необходимо использовать таблицы маршрутизации, которые должен вручную создать и обновлять администратор. 2. Динамические Router'ы. Они сами создают и обновляют такие таблицы. Они содержат свежую информацию о возможных маршрутах по сети с учетом "узких" мест и задержек при прохождении пакетов. Поэтому они могут найти эффективный путь в сети и делают перенаправление пакетов по этому пути, т. е. Router делает интеллектуальный выбор пути. Конструктивно маршрутизаторы могут быть: 1) Аппаратными, выполненными в виде отдельного электронного блока. 2) В виде ПК, выполняющего роль маршрутизатора между сегментами сети (одной из встроенных функций сетевой операционной системы Windows NT/2000 Server является маршрутизация).

Структурная схема маршрутизатора

Структурная схема маршрутизатора Центральным устройством является процессор, тип которого может различаться в зависимости от класса маршрутизатора, фирмы изготовителя, серии маршрутизатора в нутрии класса. Основная задача процессора заключается в обработке входящих пакетов для принятия решения об их дальнейшей маршрутизации, при этом скорость с которой маршрутизатор способен обрабатывать поступающие пакеты, напрямую зависит от типа используемого процессора. Другой важной частью маршрутизатора является его память, которая поделена по функциональному признаку: 1. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM). Используется для хранения загрузочного программного обеспечения, которое запускается первым в момент включения маршрутизатора и в дальнейшем отвечает за его загрузку. 2. Flash память. Хранит конфигурации операционной системы, которая обеспечивает работу маршрутизатора. Хранит несколько образов операционных систем, что бы администратор мог перейти к работе на любую из них. 3. Память с произвольным доступом (RAM, ОЗУ). Энергозависимая память, то есть ее содержимое стирается после выключения питания маршрутизатора. Поэтому она используется для хранения промежуточных данных во время работы маршрутизатора. 4. Энергонезависимая память (NV RAM, ППЗУ). Хранятся дополнительные конфигурации маршрутизатора, которые считываются при последующих загрузках. Кроме памяти и процессора все маршрутизаторы имеют интерфейсы, называемые портами маршрутизатора. Которые обязательно имеют наименование и обязательно пронумерованы, при этом полное имя интерфейса маршрутизатора содержит его тип и номер. Маршрутизаторы имеют консольный порт, предоставляющий асинхронное соединение RS - 232. Такой порт позволяет с помощью подключения через консольный кабель управлять маршрутизатором с компьютера. Имеется разъем AUX он является вспомогательным и используется для управления маршрутизатором через модем. Важной составной частью маршрутизатора являются конфигурированные файлы. Существует два типа конфигурации: рабочая (или активная) и загрузочная. Рабочая конфигурация располагается в RAM маршрутизатора и определяет его текущие настройки. Загрузочная конфигурация расположена в NV RAM маршрутизатора и содержит команды операционной системы, которые выполняются в момент его загрузки.

Обобщенная функциональная схема маршрутизатора

Спасибо за внимание!