6.1. Маршрутизаторы в сетевых технологиях

Объединение нескольких локальных сетей в глобальную (распределенную, составную) WAN сеть происходит с помощью устройств и протоколов сетевого Уровня 3 семиуровневой эталонной модели или уровня межсетевого взаимодействия четырехуровневой модели TCP/IP. Если LAN объединяют рабочие станции, периферию, терминалы и другое сетевое оборудование в одной аудитории или в одном здании, то WAN обеспечивают соединение LAN на широком географическом пространстве. В составную распределенную сеть (internetwork, internet) входят как локальные сети, так и отдельные подсети (subnet). Устройствами, объединяющими LAN в составную сеть, являются:

маршрутизаторы (routers)

модемы,

коммуникационные серверы.

Наиболее распространенными устройствами межсетевого взаимодействия сетей, подсетей и устройств являются маршрутизаторы. Они представляют собой специализированные компьютеры для выполнения специфических функций сетевых устройств. В Лекции 4 (см. рис.4.6) было показано, что маршрутизаторы могут использоваться, чтобы сегментировать локальную сеть на широковещательные домены, т.е. являются устройствами LAN, но они используются и как устройства формирования глобальных сетей. Поэтому маршрутизаторы имеют как LAN, так и WAN интерфейсы. Маршрутизаторы используют WAN интерфейсы, чтобы связываться друг с другом, а LAN интерфейсы для связи с узлами (компьютерами), например, через коммутаторы. Поэтому маршрутизаторы являются устройствами как локальных, так и глобальных сетей. Маршрутизаторы являются также основными устройствами больших корпоративных сетей.

На рис.6.1 приведен пример того, как маршрутизаторы А, В и С объединяет нескольких локальных сетей (Локальные сети №1, №2, №3) в распределенную (составную) сеть. Поэтому маршрутизаторы имеют интерфейсы как локальных, так и глобальных соединений. К локальным сетям, созданным на коммутаторах, маршрутизатор присоединен через интерфейсы Ethernet, которые на рис.6.1 обозначены через F0/1, что означает: интерфейс Fast Ethernet, слот 0, номер 1. Глобальные соединения на рис.6.1 представлены последовательными или серийными (serial) интерфейсами S0/1, S0/2. Через такой же последовательный интерфейс реализовано соединение составной сети с сетью Internet. Подобная структурная схема, включающая три – четыре маршрутизатора, характерна для многих корпоративных сетей.

Рис.6.1. Составная сеть на маршрутизаторах

Главными функциями маршрутизаторов являются:

Выбор наилучшего пути для пакетов к адресату назначения.

Продвижение (коммутация) принятого пакета с входного интерфейса на соответствующий выходной интерфейс.

Таким образом, маршрутизаторы обеспечивают связь между сетями и определяют наилучший путь пакета данных к сети адресата. Причем, технологии объединяемых локальных сетей могут быть различными.

Устройства распределенных сетей WAN функционируют на физическом и канальном уровнях модели OSI, поскольку особенности WAN-соединений определяют стандарты и протоколы именно этих уровней.

Физический уровень распределенных глобальных сетей WAN описывает интерфейс (рис.6.2) между оконечным (терминальным) оборудованием (data terminal equipment - DTE), к которому относится и маршрутизатор, и канальным оборудованием (data circuit-terminating equipment - DCE).

Рис.6.2. Устройства распределенных сетей

Оборудование DCE обычно обеспечивает провайдер. Услуги, предоставляемые провайдером для терминальных устройств DTE, доступны через модем или другое согласующее с каналом устройство (channel service unit /data service unit - CSU/DSU), которые и являются оборудованием DCE. Оборудование DCE является ведущим в паре DCE – DTE, оно обеспечивает синхронизацию и задает скорость передаваемых данных.

Поскольку маршрутизаторы в распределенных сетях часто соединяются последовательно, то из двух последовательно соединенных серийных интерфейсов маршрутизаторов один должен выполнять роль устройства DCE, а второй – устройства DTE (рис.6.3).

Рис.6.3. Последовательное соединение маршрутизаторов

Протоколы канального (data link) уровня WAN описывают, как по сети передаются кадры. Они включают протоколы, обеспечивающие функционирование через соединения точка-точка и через коммутируемые соединения. Основными WAN протоколами и стандартами канального уровня являются: High-level data link control (HDLC), Frame Relay, Point-to-Point Protocol (PPP), Synchronous Data Link Control (SDLC), Serial Line Internet Protocol (SLIP), X.25, ATM, LAPB, LAPD, LAPF. Основными протоколами и стандартами физического уровня являются: EIA/TIA-232, EIA/TIA-449, V.24, V.35, X.21, G.703, EIA-530, ISDN, E1, E3, XDSL, SDH (STM-1, STM-4 и др.).

Функционируя на Уровне 3 модели OSI, маршрутизаторы принимают решения, базируясь на сетевых логических адресах (IP-адресации). Для определения наилучшего пути передачи данных через связываемые сети, маршрутизаторы строят таблицы маршрутизации и обмениваются сетевой маршрутной информацией с другими маршрутизаторами. Администратор может конфигурировать статические маршруты и поддерживать таблицы маршрутизации вручную. Однако большинство таблиц маршрутизации создается и поддерживается динамически, за счет использования протоколов маршрутизации (routing protocol), которые позволяют маршрутизаторам автоматически обмениваться информацией о сетевой топологии друг с другом.

Функционирование маршрутизаторов происходит под управлением сетевой операционной системы (Internetwork Operation System - IOS), текущая (running) версия которой находится в оперативной памяти RAM (рис.6.4). Помимо текущей версии IOS оперативная память хранит активный конфигурационный файл (Active Configuration File), таблицы протоколов динамической маршрутизации, выполняет буферизацию пакетов и поддерживает их очередь, обеспечивает временную память для конфигурационного файла маршрутизатора пока включено питание.

Загрузка операционной системы IOS в оперативную память обычно производится из энергонезависимой флэш-памяти (Flash), которая является перепрограммируемым запоминающим устройством (ППЗУ). После модернизации IOS она перезаписывается во флэш-память, где может храниться несколько версий. Версию операционной системы можно сохранять на TFTP-сервере (рис.6.4).

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ – ROM) содержит программу начальной загрузки (bootstrap) и сокращенную версию операционной системы, установленную при изготовлении маршрутизатора. Обычно эта версия IOS используется только при выходе из строя Flash памяти. ROM также поддерживает команды для теста диагностики аппаратных средств (power-on self test - POST).

Рис.6.4. Элементы памяти и программы маршрутизатора

Энергонезависимая (non-volatile) оперативная память NVRAM является перепрограммируемым запоминающим устройством (ППЗУ). NVRAM хранит стартовый (startup) конфигурационный файл, который после изменения конфигурации перезаписывается в ППЗУ, где создается резервная копия (backup). Конфигурационные файлы содержат команды и параметры для управления потоком трафика, проходящим через маршрутизатор. Конфигурационный файл используется для выбора сетевых протоколов и протоколов маршрутизации, которые определяют наилучший путь для пакетов к адресуемой сети. Первоначально конфигурационный файл обычно создается с консольной линии (console) и помимо памяти NVRAM может сохраняться на TFTP-сервере (рис.6.4).Временное хранение входящих и исходящих пакетов обеспечивается в памяти интерфейсов, которые могут быть выполнены на материнской плате или в виде отдельных модулей.

При включении маршрутизатора начинает функционировать программа начальной загрузки butstrap, которая тестирует оборудование и загружает операционную систему IOS в оперативную память RAM. В оперативную память загружается также конфигурационный файл, хранящийся в NVRAM. В процессе конфигурирования маршрутизатора задаются адреса интерфейсов, пароли, создаются таблицы маршрутизации, устанавливаются протоколы, проводится проверка параметров. Процесс коммутации и продвижения данных проходит под управлением операционной системы.