Передача данных в сетях с маршрутизаторами

Процесс передачи данных рассмотрен на примере сети (рис. 8.4) от узла Host X до узла Host Y через маршрутизаторы A, B, C. Маршрутизаторы соединены между собой через порты Fast Ethernet, номера которых также приведены на рисунке. Интерфейсы Fast Ethernet характеризуются физическими МАС-адресами и логическими IP -адресами. Адреса узлов и интерфейсов маршрутизаторов, задействованных в процессе передачи, приведены в таблице 8.1. Сетевая маска во всех сетях задана одинаковой и равной 255.255.255.0.

Рис. 8.4. Передача данных по сети

Сообщение, сформированное протоколами верхних уровней компьютера Host X, поступает на сетевой уровень, где IP -протокол формирует пакет данных. Поскольку адрес назначения 200.40.40.7 не относится к сети 172.16.10.0, в которой находится Host X, необходима маршрутизация.

На канальном уровне узел Host X инкапсулирует сформированный пакет в кадр соответствующей технологии, например, Fast Ethernet. В заголовке кадра наряду с другой информацией указываются МАС-адреса источника и назначения. МАС- адрес источника в данном примере будет 011ABC123456. Поскольку МАС- адрес узла-получателя Host Y компьютеру Host X неизвестен, узел Host X обращается к таблице ARP. Узел не находит соответствующей записи в таблице ARP, поэтому он посылает в локальную сеть широковещательный ARP - запрос, в котором задает сетевой логический IP - адрес устройства назначения – 200.40.40.7. Адресат назначения находится за пределами локальной сети 172.16.10.0. Поскольку маршрутизаторы не транслируют широковещательные запросы в другие сегменты сети, в этом случае маршрутизатор в ответ на запрос посылает ARP -ответ с MAC-адресом своего входного интерфейса, на который поступил запрос. Входной интерфейс играет роль основного шлюза по умолчанию. ARP -протокол обращается к соответствующей строке таблицы и отвечает МАС-адресом 0001AAAA1111.

В соответствии с полученным МАС-адресом 0001AAAA1111 формируется кадр, который по физической среде передается в маршрутизатор Router_A:

В маршрутизаторе Router_A из кадра извлекается (декапсулируется) пакет данных. Производится логическое умножение IP -адреса назначения на маску и определяется сеть назначения. Затем происходит обращение к таблице маршрутизации, в соответствии с которой определяется адрес входного порта следующего маршрутизатора Router_В (адрес следующего перехода) и выходной интерфейс маршрутизатора Router_A. При этом формируется новый пакет, который продвигается к выходному Fast Ethernet порту F0/2 маршрутизатора Router_A. В новом пакете изменяются некоторые поля заголовка, но IP -адреса источника и узла назначения остаются неизменными:

Затем пакет инкапсулируется в новый кадр, в качестве МАС-адреса узла источника будет использоваться физический адрес выходного интерфейса F0/2 – 0002AAAA2222. МАС- адрес узла назначения определяется с помощью ARP -протокола, как было описано выше. МАС-адресом узла назначения будет физический адрес входного интерфейса маршрутизатора Router_В – 0001BBBB1111.

Новый кадр передается на входной порт маршрутизатора Router_В:

Приняв кадр, маршрутизатор Router_В извлекает из него пакет данных и с применением маски и таблицы маршрутизации определяет выходной интерфейс. Пакет инкапсулируется в новый кадр, который передается с новыми МАС-адресами источника и назначения в маршрутизатор Router_С:

В маршрутизаторе Router_С, так же как в Router_А и Router_В, формируются новый пакет и кадр. Поскольку адресат назначения находится в сети, непосредственно присоединенной к интерфейсу F0/2 маршрутизатора Router_С, кадр передается узлу назначения Host Y:

Протокол сетевого уровня узла Host Y извлекает из кадра пакет данных. Если пакет при передаче был фрагментирован, из фрагментов формируется целый пакет и через соответствующий интерфейс направляется на транспортный уровень, где из пакетов извлекаются сегменты данных, а из сегментов формируется сообщение.

При передаче данных через соединения " точка-точка " (см. например, схемы рис. 6.5) заголовок кадра может быть существенно упрощен, т. к. интерфейсы непосредственно связаны между собой, поэтому отпадает необходимость задания МАС-адресов узла источника и узла назначения. Примером может служить протокол Point-to-Point.

На пути кадра к устройству назначения его заголовок и трейлер изменяются при прохождении через каждое устройство 3-го уровня составной сети, например через маршрутизатор. Это происходит вследствие того, что в кадре используется локальная адресация 2-го уровня, а пакеты адресуются с применением логического адреса 3-го уровня и в пакете задается конечный адрес узла назначения. Таким образом, при передаче данных через составную сеть IP-адреса узла назначения и узла источника остаются неизменными, МАС-адреса назначения и источника меняются при прохождении каждого маршрутизатора.

Всякий раз при формировании кадра вычисляется контрольная сумма, которая записывается в поле FCS трейлера кадра. При приеме кадра на каждом входном интерфейсе всех устройств на пути к адресату назначения вновь вычисляется контрольная сумма, которая сравнивается с принятой в трейлере. Правильность принятых данных проверяется с использованием циклического кода CRC. Если расчетный результат и контрольная сумма не совпадают, то кадр отбрасывается. При положительном результате сравнения из кадра извлекается пакет, который проверяется, предназначен ли пакет сетям, прямо присоединенным к данному маршрутизатору, или его надо передать другому устройству составной сети.

Если пакет необходимо маршрутизировать, IP - адрес сети назначения сравнивается с таблицей маршрутизации. При нахождении соответствующей записи в таблице пакет будет переслан на интерфейс, определенный в строке таблицы маршрутизации. Когда пакет коммутируется на выходной интерфейс, формируется новый кадр с новым заголовком и новым значением CRC в трейлере. Кадр затем передается в новый домен на пути к адресату назначения.

8.3. Сетевые протоколы. Формат пакета протокола IP

Примером сети с доставкой данных без предварительного соединения отправителя и получателя сообщения (connectionless) является Internet, где передаются пакеты (дейтаграммы) с использованием протокола IP. В дейтаграммных IP-сетях с коммутацией пакетов отправитель информации не знает, получено ли его сообщение и получено ли оно без ошибок. Поэтому для повышения надежности и достоверности доставки данных на конечных узлах применяется протокол транспортного уровня TCP.

В сетях с предварительным соединением отправителя и получателя (connection- oriented) отправитель и получатель перед обменом данными предварительно устанавливают соединение. Кроме того, при использовании таких технологий проводится подтверждение принятых данных. Примером сетей с предварительным соединением являются телефонные сети с коммутацией каналов, а также сети с виртуальными каналами (см. лекцию 1).

Правила телекоммуникаций узлов между собой при обмене данными через сети устанавливают протоколы. Протоколы описывают формат сообщения, путь (маршрут) обмена сообщениями и другие правила. Чтобы продвигать пакет от одного узла до другого, протоколы сетевого уровня используют информацию, заключающуюся в адресе заголовка сетевого уровня (например, IP-адрес). Такие протоколы получили название сетевых (routed). Таким образом, сетевые протоколы определяют формат пакета, логические адреса узла источника и назначения, прокладывают маршрут пакета на основе имеющихся таблиц маршрутизации.

Для обеспечения телекоммуникаций помимо сетевых (routed) протоколов применяются маршрутизирующие (routing), которые также являются протоколами сетевого уровня. Они создают и поддерживают таблицы маршрутизации. Обновления (update) таблиц протоколами маршрутизации реализуются путем связи и обмена данными между маршрутизаторами. Следовательно, протоколы маршрутизации создают и поддерживают таблицы маршрутизации, а сетевые протоколы используют эти таблицы для продвижения пакетов.

Протоколы сетевого уровня, к которым относится и IP, должны обеспечивать номера (адреса) сетей и номера (адреса) хостов. Некоторым протоколам, например Novell Internetwork Packet Exchange (IPX), требуется только сетевой адрес, поскольку они используют MAC-адрес устройства в качестве адреса хоста. Протоколу IP требуется адрес, содержащий как сетевую, так и узловую (хостовую) части. Для того чтобы можно было выделить адрес сети и адрес хоста, необходима маска сети или подсети (см. лекцию 7). Протоколы IP, IPX/SPX и AppleTalk обеспечивают поддержку Уровня 3 модели OSI.

Основным сетевым (routed) протоколом всемирной сети Интернет является Internet Protocol (IP). Формат сообщения сетевого уровня представляет собой пакет, известный также как дейтаграмма (datagram). Это означает, что в процессе организации связи не используются схемы коммутации цепей, поскольку все соединения выполнены заранее и нужно лишь выбрать наилучший путь к адресату назначения на основе метрики протокола маршрутизации. Термины ненадежный (unreliable) и доставка по возможности, доставка с наибольшими возможными усилиями (besteffort delivery) означают, что проверка (верификация) правильности полученных данных на сетевом уровне не производится. Для такой проверки при необходимости используется протокол транспортного уровня TCP.

Формат пакета сетевого протокола IP (рис. 8.5) включает заголовок, состоящий из 12 полей общей длиной в 160 бит (5 слов по 4 байта, т. е. 20 байт), поле опций переменной длины и поле данных.

Рис. 8.5. Формат IP-пакета

1. Первое 4-разрядное поле (Vers) задает номер версии протокола. В настоящее время действует версия 4 – IPv4, согласно которой длина адреса источника (Source IP address) и адреса назначения (Destination IP address) равна 32 разрядам (4 байтам). В распечатках поля заголовка обычно представляются в десятичной и шестнадцатеричной системах. Например, действующая в настоящее время версия 4 выглядит следующим образом: Version = 4 (0x4). В поле заголовка номер версии будет задан в двоичной системе – 0100.

2. Длина заголовка – количество 32-разрядных слов в заголовке – задается вторым полем HLEN. Например, код в этом поле – 0101, и запись Header Length = 20 (0x14) означает, что заголовок содержит 5 слов по 32 разряда или 20 байт.

3. Поле типа сервиса (Type of Service – ToS) длиной 8 бит включает четыре идентификатора: трехразрядный идентификатор PR и одноразрядные D, T и R. Идентификаторы определяют требования к метрике при прокладке маршрута. Идентификатор PR определяет тип пакета (нормальный, управляющий и др.) и в соответствие с этим задает приоритет. Установка 1 в разряде D означает требование минимизации задержки при передаче пакета; единица в разряде Т означает требование максимальной пропускной способности; установка 1 в разряде R требует максимальной надежности.

4. Поле Total Length задает общую длину пакета, включая заголовок и поле данных. 16 разрядов поля позволяют задавать максимальную длину 64 Кбайт. Поскольку максимальная длина кадра в большинстве технологий локальных сетей меньше 64 Кбайт (например, в Ethernet она составляет 1500 байт), большие пакеты разбивают на фрагменты. При фрагментации пакета используется информация 5-го, 6-го и 7-го полей, все фрагменты должны иметь: одинаковый идентификационный номер пакета; номер, определяющий порядок следования фрагмента при сборке пакета; дополнительную информацию.

5. Пятое поле заголовка содержит идентификационный номер пакета. При фрагментации пакета идентификационный номер будет единым для всех фрагментов.

6. Трехразрядное поле Flags содержит два одноразрядных флага фрагментации. Установка 1 в разряде DF запрещает маршрутизатору производить фрагментацию данного пакета. Единичка в разряде MF указывает, что данный пакет не является последним.

7. 13-разрядное поле смещения данных Fragment Offset помогает собрать фрагменты в единый пакет. Оно задает смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного нефрагментированного пакета.

8. Из заданного значения Time to Live – время жизни (255 – максимум) при прохождении каждого маршрутизатора или каждую секунду вычитается 1. Таким образом, число узлов, через которые может пройти пакет, ограничено.

9. Поле Protocol указывает протокол верхнего уровня (TCP, UDP, OSPF и др.), которому будет передан принятый пакет после завершения IP-процесса.

10. Поле контрольной суммы заголовка Header Checksum. Поскольку при прохождении маршрутизатора значения некоторых полей заголовка изменяются (например, время жизни), расчет контрольной суммы производится в каждом маршрутизаторе заново.

11. Source IP address – адрес источника информации, длина – 4 байта (32 разряда).

12. Destination IP address – адрес приемника информации, длина – 4 байта (32 разряда).

13. Поле IP option позволяет поддерживать различные опции, например, опцию защиты информации. Поскольку это поле может иметь разную длину, оно дополняется нулями до 32 разрядов.

14. Поле данных Data имеет длину более 64 разрядов.