Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Кафедра: ИиВТПП

Дисциплина: Сети и телекоммуникации

Доклад

«Маршрутизатор. Классификация. Принцип работы»

Пиксина Н.С.

Москва

2020 год

Оглавление

• Введение
• 1. Маршрутизатор
• 1.1 Назначение маршрутизаторов
• 1.2 Протоколы маршрутизации
• 2. Классификации
• 3. Принцип работы
• Заключение
• Библиография


Введение

Маршрутизатор (проф. жарг. рамутер, румтер) - специализированное устройство, которое пересылает пакеты между различными сегментами сети на основе правил и таблиц маршрутизации. Маршрутизатор (рис. 1, 2) может связывать разнородные сети различных архитектур. Для принятия решений о пересылке пакетов используется информация о топологии сети и определённые правила, заданные администратором.

Различные типы маршрутизаторов отличаются количеством и типами своих портов, что собственно и определяет места их использования. Маршрутизаторы, например, могут быть использованы в локальной сети Ethernet для эффективного управления трафиком при наличии большого числа сегментов сети, для соединения сети типа Еthernet с сетями другого типа, например Тоkеn Ring, FDDI, а также для обеспечения выходов локальных сетей на глобальную сеть.

Маршрутизаторы не просто осуществляют связь разных типов сетей и обеспечивают доступ к глобальной сети, но и могут управлять трафиком на основе протокола сетевого уровня (третьего в модели OSI), то есть на более высоком уровне по сравнению с коммутаторами. Необходимость в таком управлении возникает при усложнении топологии сети и росте числа ее узлов, если в сети появляются избыточные пути (при поддержке протокола IEEE 802.1 Spanning Тгее), когда нужно решать задачу максимально эффективной и быстрой доставки отправленного пакета по назначению.

Рис. 1. Маршрутизатор, использующийся на магистральных каналах

Рис. 2. Маршрутизатор, для офисного или домашнего использования

1. Маршрутизатор

1.1 Назначение маршрутизаторов

Если бы существовала среда с безграничной пропускной способностью, способная обеспечить непосредственную связь всех компьютеров друг с другом в одной сети, никаких маршрутизаторов бы не понадобилось. В реальности же мы зачастую не можем обеспечить такую связь даже в пределах одного здания. Физические пределы, соображения надежности и безопасности заставляют дробить сети на подсети. Маршрутизаторы же выступают в роли некоего клея, их объединяющего.

Что это такое - маршрутизатор? Это компьютер, имеющий несколько сетевых интерфейсов, причем разные интерфейсы принадлежат разным сетям. (Всякого рода аппаратные маршрутизаторы, наподобие тех, что выпускают Bay Networks и Cisco, тоже являются компьютерами, пусть и специализированными.) Задача маршрутизатора - переправлять пакеты данных между интерфейсами. Сетевые интерфейсы могут быть разными - сетевые карты Ethernet, модемы на выделенных и коммутируемых линиях, X.25 PAD, ISDN и т.д.

В зависимости от сложности сети, нам требуется либо статическая, либо динамическая маршрутизация, либо их сочетание. Статическая маршрутизация применяется тогда, когда пути следования пакетов можно задать заранее. Один из жизненных примеров: сеть на тонком коаксиальном кабеле очень ненадежна, и, чтобы хоть немного повысить надежность, где-то в середине ее поставили компьютер с двумя сетевыми интерфейсами. Другой пример - подключение локальной сети к провайдеру Internet. Здесь известно, что все пакеты, не относящиеся к данной локальной сети, надо передать провайдеру, а он уже сам должен с ними разбираться.

Рис. 3. Сети A, B, C

Когда нужна динамическая маршрутизация? Возьмем такой пример (рис. 2). Пусть у нас имеются три сети (A, B и C), каждая из которых соединена с каждой маршрутизаторами по выделенной линии. Фактически, кстати, возникают еще три сети - это соединения AB, BC и AC (обозначим их AB, BC и AC). Из сети A мы желаем работать с компьютером в B. Пакеты могут достигнуть его двумя путями: либо через выделенную линию AB, либо проходя через AC, сеть C и далее через BC. Мы можем воспользоваться статической маршрутизацией и жестко задать маршрут (пакеты для B передавать только через AB), но хочется, чтобы при возможном разрыве связи AB пакеты автоматически пошли по альтернативному пути, а при восстановлении связи был восстановлен старый путь. Это и есть динамическая маршрутизация. Программы-демоны должны следить за состоянием сети и автоматически находить наиболее выгодный маршрут.

1.2 Протоколы маршрутизации

Протокол RIP (Routing Information Protocol) представляет собой один из старейших протоколов обмена маршрутной информацией, однако он до сих пор чрезвычайно распространен в вычислительных сетях. Помимо версии RIP для сетей TCP/IP, существует также версия RIP для сетей IPX/SPX компании Novell.

В этом протоколе все сети имеют номера (способ образования номера зависит от используемого в сети протокола сетевого уровня), а все маршрутизаторы - идентификаторы. Протокол RIP широко использует понятие «вектор расстояний»

Вектора расстояний итерационно распространяются маршрутизаторами по сети, и через несколько шагов каждый маршрутизатор имеет данные о достижимых для него сетях и о расстояниях до них. Если связь с какой-либо сетью обрывается, то маршрутизатор отмечает этот факт тем, что присваивает элементу вектора, соответствующему расстоянию до этой сети, максимально возможное значение, которое имеет специальный смысл - «связи нет».

Протокол OSPF (Open Shortest Path Firs) является достаточно современной реализацией алгоритма состояния связей (он принят в 1991 году) и обладает многими особенностями, ориентированными на применение в больших гетерогенных сетях.

Протокол OSPF вычисляет маршруты в IP-сетях, сохраняя при этом другие протоколы обмена маршрутной информацией.

Непосредственно связанные (то есть достижимые без использования промежуточных маршрутизаторов) маршрутизаторы называются «соседями». Каждый маршрутизатор хранит информацию о том, в каком состоянии по его мнению находится сосед. Маршрутизатор полагается на соседние маршрутизаторы и передает им пакеты данных только в том случае, если он уверен, что они полностью работоспособны. Для выяснения состояния связей маршрутизаторы-соседи достаточно часто обмениваются короткими сообщениями HELLO.

Для распространения по сети данных о состоянии связей маршрутизаторы обмениваются сообщениями другого типа. Эти сообщения называются router links advertisement - объявление о связях маршрутизатора (точнее, о состоянии связей). OSPF-маршрутизаторы обмениваются не только своими, но и чужими объявлениями о связях, получая в конце-концов информацию о состоянии всех связей сети. Эта информация и образует граф связей сети, который, естественно, один и тот же для всех маршрутизаторов сети.

Кроме информации о соседях, маршрутизатор в своем объявлении перечисляет IP-подсети, с которыми он связан непосредственно, поэтому после получения информации о графе связей сети, вычисление маршрута до каждой сети производится непосредственно по этому графу по алгоритму Дэйкстры. Более точно, маршрутизатор вычисляет путь не до конкретной сети, а до маршрутизатора, к которому эта сеть подключена. Каждый маршрутизатор имеет уникальный идентификатор, который передается в объявлении о состояниях связей. Такой подход дает возможность не тратить IP-адреса на связи типа «точка-точка» между маршрутизаторами, к которым не подключены рабочие станции.

Маршрутизатор вычисляет оптимальный маршрут до каждой адресуемой сети, но запоминает только первый промежуточный маршрутизатор из каждого маршрута. Таким образом, результатом вычислений оптимальных маршрутов является список строк, в которых указывается номер сети и идентификатор маршрутизатора, которому нужно переслать пакет для этой сети. Указанный список маршрутов и является маршрутной таблицей, но вычислен он на основании полной информации о графе связей сети, а не частичной информации, как в протоколе RIP.

2. Классификации

Маршрутизаторы делят на устройства верхнего, среднего и нижнего классов.

Рис. 4. Маршрутизаторы верхнего класса

Маршрутизаторы верхнего класса (рис. 4) - магистральные маршрутизаторы (backbone routers). Самые высокопроизводительные, служат для объединения сетей предприятия (построения центральной сети). Центральная сеть может состоять из большого количества локальных сетей, разбросанных по разным зданиям и использующих самые разнообразные сетевые технологии, типы компьютеров и операционных систем. Магистральные маршрутизаторы - это наиболее мощные устройства, способные обрабатывать несколько сотен тысяч или даже несколько миллионов пакетов в секунду. Они поддерживают множество протоколов и интерфейсов, могут иметь до 50 портов локальных или глобальных сетей. Большое внимание уделяется в магистральных моделях надежности и отказоустойчивости маршрутизатора, которая достигается за счет системы терморегуляции, избыточных источников питания, заменяемых «на ходу» (hot swap) модулей, а также симметричного мультипроцессирования.

Маршрутизаторы среднего класса (рис. 5) - маршрутизаторы региональных отделений. Соединяют региональные отделения между собой и с центральной сетью. Сеть регионального отделения, так же как и центральная сеть, может состоять из нескольких локальных сетей. Такие маршрутизаторы, как правило, представляют собой некоторую упрощенную версию магистрального маршрутизатора, поддерживаемые ими интерфейсы локальных и глобальных сетей менее скоростные. Данные маршрутизаторы поддерживают наиболее распространенные протоколы маршрутизации и транспортные протоколы. Это наиболее обширный класс выпускаемых маршрутизаторов, характеристики, которых могут приближаться к характеристикам магистральных маршрутизаторов, а могут и опускаться до характеристик маршрутизаторов удаленных офисов.

Рис. 5. Маршрутизаторы среднего класса

Рис. 6. Маршрутизаторы нижнего класса

Маршрутизаторы нижнего класса (рис. 6) - маршрутизаторы удаленных офисов. Предназначаются для локальных сетей подразделений; они связывают небольшие офисы с сетью предприятия. такие маршрутизаторы могут поддерживать один - два интерфейса локальных сетей, рассчитаны на низкоскоростные выделенные линии или коммутируемые соединения. Маршрутизатор удаленного офиса может поддерживать работу по коммутируемой телефонной линии в качестве резервной связи для выделенного канала. Эти маршрутизаторы пользуются большим спросом в организациях, которым необходимо расширить имеющиеся межсетевые объединения. Существует очень большое количество типов маршрутизаторов удаленных офисов. Это объясняется как массовостью потенциальных потребителей, так и специализацией такого типа устройств, проявляющейся в поддержке одного конкретного типа глобальной связи. Существуют маршрутизаторы, работающие только по сети ISDN, существуют модели только для аналоговых выделенных линий и т.п.

3. Принцип работы

Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в заголовке пакета, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута - пакет отбрасывается.

Маршрутизатор (рис. 3) способен перераспределять трафик между сетями и подсетями, назначать IP-адреса подключаемым компьютерным и мобильным устройствам, ограничивать скорость передачи данных, устанавливать собственные лимиты на подключение, обеспечивать защиту подключений на основе встроенного брандмауэра и т.д. Грубо говоря, точку доступа можно представить в виде некой антенны, передающей или усиливающей сигнал, а маршрутизатор - в виде полноценного компьютерного устройства, выполняющего массу дополнительных функций.

Рис. 7. Перераспределение трафика между сетями

Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование / расшифровывание передаваемых данных и т.д.

Изначально маршрутизатор от моста отличался только тем, что на компьютере, соединяющем две или более части сети, было установлено другое программное обеспечение. Но между маршрутизатором и мостом существуют и принципиальные отличия.

· Маршрутизаторы работают не с физическими адресами пакетов (МАС-адресами), а с логическими сетевыми адресами (IP-адресами).

· Маршрутизаторы ретранслируют не всю приходящую ин формацию, а только ту информацию, которая адресована им лично, и отбрасывают широковещательные пакеты, разделяя тем самым широковещательную область сети. (Все абоненты должны знать о существовании в сети маршрутизатора)

· Самое главное - маршрутизаторы поддерживают сети с множеством возможных маршрутов, путей передачи информации, так называемые ячеистые сети (meshed networks). Пример такой сети показан на рис. 9.10. Мосты же требуют, чтобы в сети не было петель, чтобы путь распространения информации между двумя любыми абонентами был единственным.

Именно маршрутизаторы чаще всего используются для связи локальных сетей с глобальными, в частности с сетью Internet, которая может рассматриваться как полностью маршрутизируемая сеть.

Маршрутизаторы часто применяются для объединения опорной (стержневой) сетью типа FDDI множества локальных сетей или для связи локальных сетей разных типов. Преобразование формата пакетов, требуемое в данной ситуации, для маршрутизатора не представляет никакой сложности. Например, большие пакеты сети FDDI могут разбиваться (фрагментироваться) на несколько меньших пакетов Ethernet.

Маршрутизаторы также легко преобразуют скорости передачи, связывая, например, между собой сети Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. He пропуская широковещательных пакетов, они лучше справляются с этой задачей, чем мосты или коммутаторы, так как защищают медленные сегменты от перегрузок со стороны быстрых сегментов.

Маршрутизаторы иногда объединяют между собой. Множество соединенных друг с другом маршрутизаторов могут образовывать так называемое облако (cloud), представляющее собой, по сути, один гигантский маршрутизатор. Такое соединение обеспечивает исключительно гибкую и надежную связь между всеми подключенными к нему локальными сетями.

Как уже отмечалось, можно считать, что репитерные концентраторы работают с пакетами, а мосты и коммутаторы - с кадрами. Маршрутизаторы обрабатывают адресную информацию, относящуюся к структуре дейтаграммы IP (IPX), которая вложена в область данных кадра, в свою очередь вложенного в пакет. Поэтому говорят, что они работают с дейтаграммами, ретранслируют дейтаграммы.

маршрутизатор сеть дейтаграмма

Рис. 8. Сетевой адрес дейтаграммы IPX

В дейтаграмму входят сетевые адреса, которые определяют абонентов (передающего и принимающего) в маршрутизованной сети, состоящей из множества обычных сетей. Например, сетевой адрес дейтаграммы IPX состоит из 10 байт и включает в себя поле номера сети (4 байта), а также поле идентификатора абонента (6 байт) (рис. 4), повторяющее физический адрес (МАС-адрес) абонента. Маршрутизатор обрабатывает именно поле номера сети из сетевого адреса принимающего абонента. Под сетью в данном случае понимается широковещательная область. То есть сеть, разделенная только мостами, коммутаторами и репитерными концентраторами, считается единой сетью с одним номером сети.

Каждый абонент (узел), прежде чем послать пакет, определяет, может ли он послать его непосредственно получателю или же ему надо воспользоваться услугами маршрутизатора. Если номер собственной сети передающего абонента совпадает с номером сети абонента, которому должен передаваться пакет, то пакет передается непосредственно, без маршрутизации. Если же адресат находится в другой сети, то передаваемая дейтаграмма должна быть отправлена маршрутизатору, который затем переправит ее в нужную сеть. При этом получается, что пакет в целом адресован маршрутизатору (как одному из абонентов собственной сети), а заключенная в нем дейтаграмма адресована абоненту из другой сети, которому она, собственно, и предназначена. В поле сетевого адреса передатчика абонент в любом случае помещает номер своей собственной сети (4 байта) и свой МАС-адрес (6 байт).

Заключение

В заключении хочу сказать, что маршрутизаторы разработаны для использования в больших ЛВС (Локальная вычислительная сеть) и существенно оптимизируют работу всей сети, экономят затраты на передачу информации, повышают надёжность работы сети в случае выхода из строя как отдельных её компонентов, так и целых сегментов, позволяя использовать разные режимы передачи информации внутри сети, а также дают возможность соединения в единую сеть подсетей с разными протоколами и интерфейсами и способами передачи данных.

Библиография

1. Википедия: Маршрутизатор [Электронный ресурс] // Википедия: Свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Маршрутизаторhtm (дата обращения: 10.10.2020).

2. М.В. Дибров. Маршрутизаторы: учебное пособие / М.В. Дибров. Красноярск: Самиздат, 2008. - 33 с. - Текст

3. StudFiles: Классификация и основные характеристики современных маршрутизаторов [Электронный ресурс] // УГФТУ: Сети и Телекоммуникации. URL: https://studfile.net/preview/988046/page:3/ (дата обращения: 10.10.2020).

4. Васин, Н.Н. Построение сетей на базе коммутаторов и маршрутизаторов: учебное пособие / Н.Н. Васин. - 2-е изд. - Москва: ИНТУИТ, 2016. - 330 с. - Текст

5. Гельбух, С.С. Сети ЭВМ и телекоммуникации. Архитектура и организация: учебное пособие / С.С. Гельбух. - Санкт-Петербург: Лань, 2019. - 208 с. - Текст

6. Компьютерная документация: Маршрутизатор [Электронный ресурс] // URL: http://www.compdoc.ru/network/equip/router/ (дата обращения: 11.10.2020).Studwood.ru: Маршрутизаторы

7. Учебные материалы онлайн: Маршрутизаторы [Электронный ресурс] // https://studwood.ru/1760680/informatika/marshrutizatory (дата обращения: 11.10.2020).

Размещено на Allbest.ru