Какое минимальное количество уровней протоколов должны поддерживать маршрутизаторы сетей

Обновлено: 15.05.2024

Содержание

Формат IP-пакета

Протокол IP реализует сеть передачи дейтаграмм. Дейтаграмма – это общее название для единиц данных, которыми оперируют протоколы без установления соединения. Дейтаграмму протокола IP называют также пакетом. Для доставки пакета протокол IP использует иерархическое структурирование IP – адресов, контроль за временем жизни пакетов в сети и проверку целостности заголовка IP – пакета. Как протокол без установления соединения, протокол IP обрабатывает каждую дейтаграмму индивидуально, т.е. каждый пакет маршрутизируется индивидуально. Узлы сети не устанавливают логическое соединение перед обменом IP – пакетами.

IP-пакет состоит из заголовка и инкапсулированного сегмента транспортного уровня. Приведём некоторые поля заголовка пакета IP.

Поле протокола верхнего уровня содержит идентификатор, указывающий какому протоколу верхнего уровня принадлежит информация, размещенная в поле данных пакета. Например, 6 означает, что в пакете находится заголовок протокола TCP, 17 - протокола UDP.

Поле IP - адресов источника и приемника имеют одинаковую длину 4 байта. IP-адреса представляются в в формате десятичного представления с разделительными точками, где каждый байт представляется своим десятичным эквивалентом. Эти четыре десятичных числа разделяются точкой (например, 128.67.38.255). Каждый IP-адреса состоит из двух частей: идентификатора сети (подсети) NETID (network identifier) и идентификатора хоста HOSTID (host identifier). NETID идентифицирует определенную сеть, к которой подключен хост. Маршрутизаторы используют только NETID, который иногда называют префиксом сети. IP-адрес 128.67.38.255 имеет идентификатор сети 128.67 (в двоичном виде третий и четвертый байты – 10000000 и 01000011) и идентификатор хоста 38.255 (в двоичном виде первый и второй байты – 00100110 11111111). В протоколе IP для извлечения идентификатора сети NETID используется маска с использованием слэша (/). В маске каждый бит, которй является частью идентификатора сети NETID, равен 1, а биты, являющиеся частью идентификатора хоста HOSTID, равны 0. Например, 128.67.38.255/16 означает, что первые 16 битов этого адреса – это идентификатор NETID 128.67.0.0. За счет управления битами в маске группа IP-адресов может быть разбита на меньшие сети. Например, добавив 3 бита к 24 разрядной маске сети 3 бита, добавляется 8 новых сетей, каждая из которых содержит меньшее количество идентификаторов хостов.

Поле общей длины IP - пакета (т.е. заголовка и данных).

Поле время жизни. Определяет, как долго дейтаграмма может оставаться в сети. Каждый маршрутизатор уменьшает значение поля, как минимум, на единицу. Поэтому поле является механизмом самоуничтожения пакета.

Контрольная сумма циклического кода заголовка, контрольно-проверочная комбинация (КПК) занимает 2 байта и рассчитывается только по заголовку.

Поскольку некоторые поля заголовка могут изменяться (например, время жизни), это поле проверяется на каждом маршрутизаторе. Если контрольная сумма неверна, то пакет отбрасывается, как только обнаруживается ошибка.

Принцип маршрутизации

Важнейшей задачей сетевого уровня является маршрутизация — передача пакетов между двумя конечными узлами в составной сети Интернет (т.е. интерсети-internet). Каждую из этих сетей часто называют подсетью. Рассмотрим принципы маршрутизации на примере составной сети, показанной на рис. 1. В этой сети 20 маршрутизаторов объединяют 18 сетей (подсетей) в общую сеть. Здесь S1, S2. S20 - это номера сетей. Маршрутизатор имеют несколько портов (минимум два), к которым присоединяются сети. Каждый порт маршрутизатора можно рассматривать как отдельный узел сети: он имеет собственный сетевой адрес и собственный локальный адрес в той подсети, которая к нему подключена. Например, маршрутизатор под номером 1 имеет три порта, к которым подключены сети S1, S2, S3. На рисунке сетевые адреса этих портов обозначены как М1(1), М1(2) и М1(3). Порт М1(1) имеет локальный адрес в сети с номером S1, порт М1(2) - в сети S2, а порт М1(3) - в сети S3. Таким образом, маршрутизатор можно рассматривать как совокупность нескольких узлов, каждый из которых входит в свою сеть. Как единое устройство маршрутизатор не имеет ни отдельного сетевого адреса, ни какого-либо локального адреса.

В сложных составных сетях почти всегда существует несколько маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до получателя. Так, пакет, отправленный из узла А в узел В, может пройти через маршрутизаторы 17, 12, 5, 4 и 1 или маршрутизаторы 17, 13, 7, 6 и З. Нетрудно найти еще несколько маршрутов между узлами А и В.

Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы. Маршрут выбирается на основании имеющейся у этих устройств информации о текущей конфигурации сети, а также на основании указанного критерия выбора маршрута (метрики). Примером такой метрики может быть количество пройденных в маршруте промежуточных маршрутизаторов (хопов). Чтобы по адресу сети назначения можно было выбрать рациональный маршрут дальнейшего следования пакета, каждый конечный узел и маршрутизатор анализируют специальную информационную структуру, которая называется таблицей маршрутизации. Используя условные обозначения для сетевых адресов маршрутизаторов и номеров сетей в том виде, как они приведены на рис. 1 посмотрим, как могла бы выглядеть таблица маршрутизации, например, в маршрутизаторе 4.

Еще одним отличием работы маршрутизатора и конечного узла при выборе маршрута является способ построения таблицы маршрутизации. Если маршрутизаторы обычно автоматически создают таблицы маршрутизации, обмениваясь служебной информацией, то для конечных узлов таблицы маршрутизации часто создаются вручную администраторами и хранятся и виде постоянных файлов на дисках.

Внутренние и внешний протоколы маршрутизации

Для рассмотрения протоколов маршрутизации необходимо ввести понятие автономной системы. Автономная система AS (Autonomous System) обладает следующими признаками:

AS – это множество маршрутизаторов и сетей (подсетей), управляемых одной организацией.
AS состоит из группы маршрутизаторов, обменивающихся информацией через общий протокол маршрутизации.
За исключением состояния неисправности в AS существует путь между любой парой узлов.

На рис. 2 приведена IP – сеть, состоящая из двух AS. Протокол маршрутизации, который передаёт информацию между маршрутизаторами внутри AS, называется внутренним протоколом маршрутизации IRP (Interior Routing Protocol). При этом алгоритмы маршрутизации, используемые маршрутизаторами различных AS, могут отличаться. Тем не менее, маршрутизаторы в одной AS должны иметь минимальный уровень информации, связанной с сетями других AS, на которые возможна отправка пакетов. Протокол, который используется для передачи информации между маршрутизаторами в различных AS, называется внешним протоколом маршрутизации ERP (Exterior Routing Protocol).

Приведём краткое описание внутренних протоколов RIP и OSPF, а также внешнего протокола маршрутизации BGP. Протоколы RIP и OSPF входят в состав межсетевого уровня архитектуры TCP/IP и выполняют две функции:

построение таблицы маршрутизации;
обновление таблиц маршрутизации, если состояние связей в составной сети изменилось по причине изменения топологии сети (отказа каналов связи, перегрузки и др.).

Протокол RIP

Протокол маршрутной информации RIP (Routing Information Protocol) является внутренним протоколом маршрутизации дистанционно-векторного типа. Определенный в документе RFC 1058 в качестве метрики протокол RIP использует число транзитных маршрутизаторов (хопов). Согласно спецификации, маршрутизатор извлекает информацию о подсети и расстоянии из своей таблицы маршрутизации и передаёт эти данные соседним маршрутам через каждые 30 секунд. Соседний узел, в свою очередь передает информацию соседнему узлу, пока все узлы внутри сети не получат одинаковую информацию о маршрутах. Протокол RIP продолжает оставаться популярным протоколом маршрутизации, поскольку он прост и хорошо подходит для небольших IP-сетей. Однако он имеет множество ограничений, включая следующие.

RIP неприемлем для больших конфигураций (более 15 подсетей). Если разрешить метрики большого размера, то чрезмерно увеличится время формирования таблиц маршрутизации или их коррекции после изменения топологии. Способ обмена таблицами маршрутизации, принятый протоколом RIP, в крупных сетях может привести к перегрузке сети.
В современных сетях использование числа транзитов в качестве метрики маршрутизации не всегда эффективно, т.к. она не берёт в расчёт загрузку каналов передачи, не учитывает разную пропускную способность каналов. Протокол RIP выбирает маршрут через два маршрутизатора через каналы 64Кбит/с, хотя мог бы быть выбран более экономичный маршрут через три маршрутизатора через каналы 2,048 Мбит/с. Этот экономичный выбор обеспечивает протокол OSPF.

Протокол OSPF

Протокол маршрутизации - OSPF (Open Shortest Path First - выбор кратчайшего пути первым) использует принцип контроля состояния канала, а метрика представляет собой оценку эффективности связи в этом канале. Чем меньше метрика, тем эффективней организация связи. Метрика, оценивающая пропускную способность канала, определяется, например, компанией Cisco, как количество секунд для передачи 100Мбит. Тогда, например,

канал типа E1 = 2,048 Мбит/с (глава 3) соответствует метрике 488;
канал 64 Кбит/с соответствует метрике 1562.

В этом случае маршрут через три маршрутизатора с каналами типа E1 составит метрику 488+488=976 единиц и является более экономичным по сравнению с маршрутом между двумя маршрутизаторами с каналом 64 Кбит/с (метрика 1562).

При первоначальном построении таблицы маршрутизации маршрутизатор определяет метрику канала на каждом своём интерфейсе. Затем маршрутизатор информирует об этих значениях все другие маршрутизаторы сети. На основании этих данных каждый маршрутизатор строит топографическую карту (базу данных) сети, по которой определяется кратчайший путь к каждой подсети. Данные этих кратчайших маршрутов помещаются в таблицу маршрутизации маршрутизатора. При невозможности передать пакеты к сети назначения (из-за отказа каналов связи, транзитных маршрутизаторов, перегрузках и др.) эти пакеты отбрасываются. Каждая запись в топологической базе данных сети имеет свой срок жизни. С каждой записью связан таймер, который служит для контроля времени жизни записи. Если какая-либо запись в топологической базе данных устаревает, то первый из таких маршрутизаторов запрашивает её новую копию с помощью специального пакета OSPF "Запрос сведений о состоянии каналов" (Link-State Request), на который должен поступить ответ "Корректировка сведений о состоянии каналов" (Link-State Update) или "Уведомление о состоянии канала" (Link-State Acknowledgement) от маршрутизатора непосредственно тестирующего эту связь. Если состояние связей в сети изменилось и произошла корректировка в маршрутизаторе сети, то этот маршрутизатор в широковещательном режиме сообщает всем соседним маршрутизаторам эти изменения. В OSPF передается только часть таблицы маршрутизации, а не вся таблица маршрутизации, как в RIP.

Протокол BGP

идентификатор AS1;
IP - адрес маршрутизатора R1;
список всех подсетей в AS1, достижимых через R1.

список идентификаторов (AS1, AS2);
IP - адрес маршрутизатора R5;
список всех подсетей в AS1.

Расскажите друзьям о статье.

Начнем с темы уровней протоколов TCP/IP.

Сетевые протоколы обычно разрабатываются по уровням, где каждый уровень отвечает за собственную фазу коммуникаций и состоит из четырех уровней:
1. Канальный уровень: драйвер устройства и интерфейсная плата;
2. Сетевой уровень: IP, ICMP, IGMP;
3. Транспортный уровень: TCP,UDP;
4. Прикладной уровень: Telnet, FTP, e-mail и т.д.

Каждый уровень несет собственную функциональную нагрузку.

1.Канальный уровень.

Канальный уровень (link layer). Еще его называют уровнем сетевого интефейса. Обычно включает в себя драйвер устройства в операционной системе и соответствующую сетевую интерфейсную плату в компьютере. Вместе они обеспечивают аппаратную поддержку физического соединения с сетью (с кабелем или с другой используемой средой передачи).

2.Сетевой уровень.

3.Транспортный уровень.

Транспортный уровень (transport layer) отвечает за передачу потока данных между двумя компьютерами и обеспечивает работу прикладного уровня, который находится выше.
В семействе протоколов TCP/IP существует два транспортных протокола: TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol).
TCP осуществляет надежную передачу данных между двумя компьютерами. Он обеспечивает деление данных, передающихся от одного приложения к другому, на пакеты подходящего для сетевого уровня размера, подтверждение принятых пакетов, установку тайм-аутов, в течение которых должно прийти подтверждение на пакет, и так далее. Так как надежность передачи данных гарантируется на транспортном уровне, на прикладном уровне эти детали игнорируются.
UDP предоставляет более простой сервис для прикладного уровня. Он просто отсылает пакеты, которые называются датаграммами (datagram) от одного компьютера к другому. При этом нет никакой гарантии, что датаграмма дойдет до пункта назначения. За надежность передачи данных, при использовании датаграмм отвечает прикладной уровень. Для каждого транспортного протокола существуют различные приложения, которые их используют.

4.Прикладной уровень.

Прикладной уровень (application layer) определяет детали каждого конкретного приложения. Существует несколько распространенных приложений TCP/IP, которые присутствуют практически в каждой реализации:

Telnet – удаленный терминал;
FTP (File Transfer Protocol) – протокол передачи файлов;
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – простой протокол передачи электронной почты;
SNMP (Simple Network Management Protocol) – простой протокол управления сетью.

Маршрутизатор, по определению, имеет два или несколько интерфейсов сетевого уровня (если он объединяет две или более сетей). Любая система с несколькими интерфейсами называется многоинтерфейсной (multihomed). Компьютер, имеющий несколько интерфейсов, но не перенаправляющий пакеты с одного интерфейса на другой, не может называться маршрутизатором. Большинство реализаций TCP/IP позволяют компьютерам с несколькими интерфейсами функционировать в качестве маршрутизаторов. Однако компьютеры должны быть специально сконфигурированы, чтобы решать задачи маршрутизации. Таким образом, мы можем называть систему хостом, когда на нем работают такие приложения как FTP или Telnet, или маршрутизатором, когда он осуществляет передачу пакетов из одной сети в другую. В зависимости от того какие функции выполняются компьютером, мы будем использовать тот или иной термин.

Одна из основных задач объединения сетей заключается в том, чтобы скрыть все детали физического процесса передачи информации между приложениями, находящимися в разных сетях. Поэтому нет ничего удивительного в том, что в объединенных сетях, как, например, на рисунке 1.3, прикладные уровни не заботятся (и не должны заботиться) о том, что один компьютер находится в сети Ethernet, а другой в сети Token ring с маршрутизатором между ними. Даже если бы между сетями было 20 маршрутизаторов и различные типы физического соединения, приложения работали бы точно так же. Подобная концепция, при которой детали физического объединения сетей скрыты от приложений, определяет мощность и гибкость такой технологии объединения сетей.

Существует еще один метод объединения сетей – с помощью мостов (bridge). В этом случае сети объединяются на канальном уровне, тогда как маршрутизаторы объединяют сети на сетевом уровне.
Стоит отметить, что объединение TCP/IP сетей осуществляется в основном с помощью маршрутизаторов, а не с помощью мостов.

Перевод книги f”Richard_stevens__tcp_ip_illustrated”, краткое изложение.

Протокол сетевого уровня (англ. Network layer ) — протокол 3-его уровня сетевой модели OSI, предназначается для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор.

В пределах семантики иерархического представления модели OSI Сетевой уровень отвечает на запросы обслуживания от Транспортного уровня и направляет запросы обслуживания на Канальный уровень.

Содержание

Классификация

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю и могут быть разделены на два класса: протоколы с установкой соединения и без него.

Протоколы с установкой соединения начинают передачу данных с вызова или установки маршрута следования пакетов от источника к получателю. После чего начинают последовательную передачу данных и затем по окончании передачи разрывают связь.

Протоколы без установки соединения посылают данные, содержащие полную адресную информацию в каждом пакете. Каждый пакет содержит адрес отправителя и получателя. Далее каждое промежуточное сетевое устройство считывает адресную информацию и принимает решение о маршрутизации данных. Письмо или пакет данных передается от одного промежуточного устройства к другому до тех пор, пока не будет доставлено получателю. Протоколы без установки соединения не гарантируют поступление информации получателю в том порядке, в котором она была отправлена, т.к. разные пакеты могут пройти разными маршрутами. За восстановления порядка данных при использовании сетевых протоколов без установки соединения отвечают транспортные протоколы.

Функции Сетевого уровня:

модели соединения: с установкой соединения и без установки соединения

адрес, присвоенный сетевому узлу

продвижение данных

Отношение к модели TCP/IP

Модель TCP/IP описывает набор протоколов Интернета (RFC 1122). В эту модель входит уровень, который называется Межсетевым, расположенный над Канальным уровнем. Во многих учебниках и других вторичных источниках Межсетевой уровень часто соотносится с Сетевым уровнем модели OSI. Однако, это вводит в заблуждение при характеристике протоколов (т.е. является ли он протоколом с установкой соединения или без), расположение этих уровней различно в двух моделях. Межсетевой уровень TCP/IP — фактически только подмножество функциональных возможностей Сетевого уровня. Он только описывает один тип архитектуры сети, Интернета.

Протоколы

См. также

Источники

Ссылки

OSI Reference Model—The ISO Model of Architecture for Open Systems InterconnectionPDF (776 KB) , Hubert Zimmermann, IEEE Transactions on Communications, vol. 28, no. 4, April 1980, pp. 425—432.

TCP/IP
Сетевые протоколы
Протоколы сетевого уровня

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Протоколы сетевого уровня" в других словарях:

Сетевая модель OSI — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия

Модель OSI — Сетевая модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model) абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Представляет уровневый подход к… … Википедия

Семиуровневая модель — Сетевая модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model) абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Представляет уровневый подход к… … Википедия

Семиуровневая модель OSI — Сетевая модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model) абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Представляет уровневый подход к… … Википедия

Уровень представления — Сетевая модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model) абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Представляет уровневый подход к… … Википедия

Уровень представления данных — Сетевая модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model) абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Представляет уровневый подход к… … Википедия

ЭМВОС — Сетевая модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model) абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Представляет уровневый подход к… … Википедия

Протокол маршрутизации - это сетевой протокол (3 уровень модели OSI), который используется маршрутизаторами (роутерами) с целью определения маршрутов передачи данных в составной вычислительной сети (интрасеть). В частности, во избежание ручного ввода всех допустимых маршрутов в маршрутизаторы, используются протоколы маршрутизации, что экономит труд системных администраторов и снижает количество ошибок в настройке маршрутизаторов.

Протоколы маршрутизации делятся на два вида, зависящие от типов алгоритмов, на которых они основаны:

Дистанционно-векторные протоколы, основаны на Distance Vector Algorithm (DVA);
Протоколы состояния каналов связи, основаны на Link State Algorithm (LSA).

Так же протоколы маршрутизации делятся на два вида в зависимости от сферы применения:

Междоменной маршрутизации;
Внутридоменной маршрутизации.

Перечень протоколов маршрутизации составляют протоколы: RIP v1/v2, RIPng (IPv6), OSPF, BGP v4 (IPv6).

Дистанционно-векторный алгоритм

В дистанционно-векторном алгоритме (DVA) основная идея заключается в рассылке маршрутизаторов друг другу так называемого вектора расстояний. В векторе расстояний содержится информация (расстояние) от передающего маршрутизатора до всех соседних (известных) ему сетей.

Под расстоянием, в векторе расстояний, подразумевается любой параметр метрики, в частности, может быть количество пройденных маршрутизаторов (по хопам) или время, затраченное на передачу пакетов от одного маршрутизатора до другого, здесь особой роли не играет какой именно параметр метрики выбран.

После получения маршрутизатором вектора расстояний от соседнего маршрутизатора, маршрутизатор обновляет или добавляет к вектору всю известную ему информацию о других сетях, о существовании которых он узнал непосредственно (сети подключенные непосредственно к маршрутизатору) или из аналогичных векторов расстояний. Далее маршрутизатор выбирает из нескольких альтернативных путей лучший по выбранному параметру метрики и рассылает новое значение вектора по сети. В результате чего, все маршрутизаторы получают информацию обо всех подключенных к интрасети сетях и о расстоянии (метрики) до них через соседние маршрутизаторы.

Недостаток, дистанционно-векторных алгоритмов, заключается в том, что они хорошо работают только в относительно небольших вычислительных сетях. Так как маршрутизаторы постоянно обмениваются вектором расстояний, что приводит к забиванию линий связи широковещательным трафиком в больших сетях. Еще одним недостатком данного алгоритма является то, что не всегда корректно реагирует на изменения в конфигурации сети, поскольку маршрутизаторы передают только обобщенную информацию – вектор расстояний, что приводит к тому, что маршрутизаторы не содержат конкретного представления о топологии связей.

Самым распространенным представителем дистанционно-векторного алгоритма является протокол RIP (Routing Information Protocol) – протокол маршрутной информации.

Алгоритм состояния связей

Алгоритм состояния связей (LSA) снабжает все маршрутизации информацией, необходимой для построения подробного графа связей составной вычислительной сети. Все маршрутизаторы основываются на одинаковых графах, в следствии чего:

маршрутизаторы быстрее реагирует на изменение конфигурации сети;
быстрее вычисляется оптимальный маршрут следования, по выбранным критериям (метрике).

Дополнительную информацию о других сетях маршрутизаторы получаются путем обмена короткими пакетами, называемыми HELLO, со своими соседями. Отличительной особенностью алгоритма LSA от алгоритма DVA, который постоянно обменивается широковещательными пакетами (вектор расстояний), алгоритм LSA использует небольшие пакеты HELLO, содержащие информацию только о состоянии линий связи. Более развернутую информацию о сетях, алгоритм состояния связей передает в том случае, когда, на основе пакетов HELLO, было зафиксировано изменение состояния линий связи (например, маршрутизатор вышел из строя или добавили новый маршрутизатор).

Как результат, алгоритм состояния связей более приспособлен к большим составным вычислительным сетям, поскольку содержит меньшее количество широковещательных пакетов, что увеличивает пропускную способность и устойчивость составной сети.

Читайте также: