Опубликован: 03.10.2011 | Доступ: свободный | Студентов: 6575 / 1801 | Оценка: 4.48 / 4.40 | Длительность: 18:03:00
Лекция 8:

Функционирование маршрутизаторов

< Лекция 7 || Лекция 8: 12 || Лекция 9 >
Аннотация: Рассмотрены принципы назначения IP-адресов статически администратором и динамически. Приведены примеры использования физических и логических адресов при передаче данных по сети. Рассмотрен формат пакета сетевого протокола IP.
Ключевые слова: IP, DHCP, сетевой принтер, меню, адрес, маска подсети, шлюз, host, reversibility, address resolution, protocol, bootstrapping, dynamic, configuration, диапазон, сеть, запрос, сервер, широковещательный адрес, информация, MAC-адрес, Fast Ethernet, сетевая маска, сетевой уровень, маршрутизация, кадр, ARP, логический, сегменты, маршрутизатор, входной, интерфейс, умножение, таблица маршрутизации, fast, Ethernet, физический адрес, порт, целый, транспортный уровень, точка-точка, адресация, составная сеть, поле, FCS, контрольная сумма, циклический код, CRC, адрес сети, домен, получатель сообщения, connectionless, Internet, протокол IP, сеть с коммутацией пакетов, TCP, orientation, сеть с коммутацией, телекоммуникации, путь, маршрут, логический адрес, routing, UPDATE, протокол маршрутизации, сетевой протокол, internetwork, packet, exchange, сетевой адрес, узловой, маска сети, OSI, Интернет, internet protocol, datagram, организация связи, коммутация, unreliable, delivery, верификация, формат пакета, бит, байт, ver, ipv4, ip address, destination, TOS, метрика, total, live, UDP, OSPF, checksumming, дейтаграмма, TTL

8.1. Назначение IP-адресов

Назначение IP-адреса может производиться администратором вручную или с помощью DHCP-сервера. Вручную назначаются адреса сетевым принтерам, серверам и интерфейсам маршрутизаторов. Варианты назначения адреса вручную могут иметь незначительные различия в зависимости от используемой в компьютере операционной системы. Обычно в главном меню компьютера необходимо последовательно выбрать следующие опции:

"Пуск", "Настройка", "Панель управления", "Сетевые подключения", "Подключение по локальной сети".

Во всплывшем окне ( рис. 8.1а) выбрать "Свойства". В следующем окне выбрать "Протокол Интернета (TCP/IP)" ( рис. 8.1б), затем "Свойства"

Окна выбора протокола TCP/IP

Рис. 8.1. Окна выбора протокола TCP/IP

После этого необходимо назначить IP-адрес, маску подсети и основной шлюз по умолчанию ( рис. 8.2).

Назначение IP-адреса администратором вручную

Рис. 8.2. Назначение IP-адреса администратором вручную

Протоколами автоматического назначения IP-адреса устройств (хостов – host) являются Reverse Address Resolution Protocol ( RARP ), протокол начальной загрузки (BOOTstrap ProtocolBOOTP ) и протокол динамического конфигурирования узлов Dynamic Host Configuration Protocol ( DHCP ). В настоящее время главным образом используется протокол DHCP, который позволяет узлу динамически без участия администратора получать IP-адрес. Нужно только определить диапазон IP-адресов на DHCP-сервере.

Для запроса IP-адреса узел посылает в локальную сеть ( рис. 8.3) запрос с широковещательным IP-адресом назначения – 255.255.255.255 и МАС-адресом – FF:FF:FF:FF:FF:FF. В качестве МАС-адреса источника в запросе указывается адрес запрашивающего узла 01:AA:11:AA:11:AA. Такой запрос поступает на все устройства сети, в том числе на сервер DHCP. Все устройства отбрасывают пакет с запросом, за исключением сервера, который опознает запрос.

Передача ответа сервера DHCP

Рис. 8.3. Передача ответа сервера DHCP

При получении запроса DHCP-сервер формирует ответ с широковещательным адресом назначения, в ответе указывается выделяемый в аренду узлу IP-адрес. В заголовке ответа в качестве МАС-адреса назначения указывается адрес запрашивающего узла (01:AA:11:AA:11:AA). Поэтому все устройства отбрасывают пакет с ответом, за исключением узла, пославшего запрос. Кроме выделяемого в аренду IP-адреса в ответе DHCP-сервера содержится адрес основного шлюза по умолчанию и другая информация. На рис. 8.3 основной шлюз имеет IP-адрес 192.168.1.1 и MAC-адрес 01:EE:55:ЕЕ:55:EE. Важным свойством DHCP является способность выделять IP-адрес в аренду динамически, т. е. сервер может изымать неиспользуемый адрес, а затем восстанавливать пользователю адрес, который использовался ранее.

8.2. 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.

Передача данных по сети

Рис. 8.4. Передача данных по сети
Таблица 8.1. Адреса узлов и интерфейсов маршрутизаторов
Устройство Интерфейс IP-адрес МАС-адрес
Host X F0/0 172.16.10.11 011ABC123456
Router_A F0/1 172.16.10.1 0001AAAA1111
F0/2 198.20.20.5 0002AAAA2222
Router_B F0/1 198.20.20.6 0001BBBB1111
F0/2 199.30.30.9 0002BBBB2222
Router_C F0/1 199.30.30.10 0001CCCC1111
F0/2 200.40.40.1 0002CCCC2222
Host Y F0/0 200.40.40.7 022DEF123456

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.

Заголовок пакета Поле данных
Первые поля заголовка пакета IP-адрес узла назначения 200.40.40.7 IP адрес узла источника 172.16.10.11 Data
Пакет данных

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.

IP-адрес МАС-адрес
172.16.10.1 0001AAAA1111

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

Заголовок кадра Заголовок пакета Поле данных
МАС-адрес узла назначения 0001AAAA1111 МАС-адрес узла источника 011ABC123456 IP- адрес узла назначения 200.40.40.7 IP-адрес узла источника 172.16.10.11 Data
Кадр данных

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:

Заголовок пакета Поле данных
Первые поля заголовка пакета IP-адрес узла назначения 200.40.40.7 IP адрес узла источника 172.16.10.11 Data
Пакет данных

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:

Заголовок кадра Заголовок пакета Поле данных
МАС-адрес узла назначения 0001BBBB1111 МАС-адрес узла источника 0002AAAA2222 IP- адрес узла назначения 200.40.40.7 IP-адрес узла источника 172.16.10.11 Data
Кадр данных

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:

Заголовок кадра Заголовок пакета Поле данных
МАС-адрес узла назначения 0001CCCC1111 МАС-адрес узла источника 0002BBBB2222 IP- адрес узла назначения 200.40.40.7 IP-адрес узла источника 172.16.10.11 Data
Кадр данных

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:

Заголовок кадра Заголовок пакета Поле данных
МАС-адрес узла назначения 022DEF123456 МАС-адрес узла источника 0002CCCC2222 IP- адрес узла назначения 200.40.40.7 IP-адрес узла источника 172.16.10.11 Data
Кадр данных

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.

< Лекция 7 || Лекция 8: 12 || Лекция 9 >
Александр Хованский
Александр Хованский
в курсе построение сетей на базе коммутаторов и маршрутизаторов некорректно задан вопрос. звучит так сколько портов сконфинурировать в VLAN0 для управления коммутатором. (поменяйте например на VLAN1 или VLAN управления ) 0-го VLAN не может быть
Алексей Фомичевский
Алексей Фомичевский
Украина, Запорожье, ЗГИА