Оборудование физического уровня. Концентратор.

На физическом уровне работают все сетевые устройства. Задача каждого сетевого устройства на физическом уровне – сформировать сигнал нужного вида с требуемыми характеристиками, отправить его в среду передачи. И, соответственно, выполнить обратную операцию - принять сигнал из среды, усилить его и передать далее (по необходимости). То есть выполнить функцию повторителя сигнала.

Классическим примером устройства работающего ТОЛЬКО на физическом уровне является неиспользуемый настоящее время концентратор. Задача концентратора была прием сигнала с одного порта и передача его на все остальные порты, то есть прием, усиление и размножение сигнала.

Как видно из рисунка, при передаче пакета от первого третьему устройству, посредством концентратора пакет будет физически передан на все подключенные устройства сети. В соответствии с протоколами вышележащих уровней устройства, которым данный пакет не предназначен, должны его отбросить.

Концентраторы имели различное количество портов, оснащались светодиодной индикацией и могли иметь средства для наращивания количества портов. Теоретически можно было строить сеть объединением нескольких концентраторов.

Но практически при увеличении нагрузки на сеть (при увеличении передаваемой информации) в сетях Ethernet значительно возрастают задержки доступа к среде передачи. Согласно протоколу Ethernet устройство, желающее передавать информацию должно убедиться в том, что среда свободна, и только при свободной среде передавать. Если одновременно несколько устройств дождутся освобождения среды, то возникнет коллизия передачи, которая обрабатывается откладывание передачи на случайно выбранное время. Чем больше желающих передавать, тем больше времени полезной работы сети тратится на обработку коллизий, а не на передачу трафика.

При эксплуатации сети, построенной на концентраторах, при возрастании нагрузки на сеть эффективность сети падает до нуля. Именно поэтому концентраторы уступили свое место устройствам канального уровня – коммутаторам.

Беспроводная точка доступа по физической сути является беспроводным концентратором. Поэтому, при возрастании нагрузки на беспроводную сеть произвольность сети резко падает.

В точки доступа последних поколений внедрена технология MIMO (Many In Many Out – множество входов, множество выходов), при которой для приема / передачи используется одновременно несколько антенн. Что позволяет точке доступа работать в режиме беспроводного коммутатора.

Канальный уровень

Основной задачей канального уровня является передача кадра (пакета) от одного устройства сети другому устройству в этой же сети. Канальный уровень не имеет представления о маршрутизации, которая выполняется следующим уровнем модели. Протоколы канального уровня решают задачу формирования, приема и передачи кадра формата, соответствующего текущему протоколу. А также – вопросы доступа к среде. Также на канальном уровне, как правило, встроен контроль ошибок (контрольная сумма в пакете).

Устройство, реализующее задачи канального уровня, это сетевая плата (сетевой адаптер). Также на канальном уровне работают коммутаторы.

Рассмотрим подробнее протоколы и устройства канального уровня

Сетевая плата

Сетевая плата оснащена разъемом для установки в материнскую плату и разъемом для сетевого кабеля. Беспроводные платы не имеют разъема для кабеля, вместо него они оснащены антенной для приема/передачи. Современные антенны бывают встроенные в корпус платы.

Сетевая плата, получив данные по интерфейсу с материнской платой, располагает их в так называемом буфере (память сетевого адаптера для временного хранения информации с целью согласования скоростей).

Из полученных данных сетевая плата формирует кадр определенного протоколом формата: данные дополняются служебной информацией канального уровня.

Передача пакета в современных сетевых протоколах канального уровня производится последовательно. Приготовленный пакет требуется преобразовать из параллельного кода в последовательный, кодировать нули и единицы в соответствии с типом сигнала, принятым в среде передачи, усилить сигнал, в соответствии с принятым методом доступа убедиться в том, что среда передачи, и отправить данные.

При приеме информации все перечисленные действия производятся в обратном порядке. Причем, принимается только тот пакет, который адресован именно данной сетевой плате. Идентификация плат производится по, так называемому, MAC-адресу (уникальному 48-мибитному физическому адресу платы, прошитому на этапе изготовления платы). Также при приеме проверяется контрольная сумма принятого пакета с целью контроля ошибок.

Ethernet

В настоящее время практически повсеместно применяются платы стандарта Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.

Ethernet - сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet II (Ethernet DIX).На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. На текущий момент имеются множество вариантов стандарта.

Первая версия стандарта IEEE 802.3 предполагала

• шинную топологию (с использованием коаксиала),
• скорость передачи данных 10 Мбит/с
• длину сети 2,5 км или 5 км при использовании оптоволокна
• метод управления к среде CSMA/CD (carrier-sense-multiply-access with collision detection)
• Манчестерское кодирование
• количество подключений до 1024

Формат пакета Ethernet следующий:

Поле преамбулы не является частью заголовка, но используется для синхронизации приемника и передатчика и содержит 7 одинаковых байт с «10101010» и заключительный 8-ой с «10101011».

В качестве адресов отправителя и получателя канальный уровень использует MAC-адреса сетевых плат.

Стоит обратить внимание, что длина пакета определяется количеством передаваемых данных, но минимальной длиной пакета должна быть не менее 64 байт. Это ограничение вызвано используемым методом доступа: CSMA/CD предполагает, что устройство, желающее передавать информацию, слушает среду, и, в случае, если среда передачи свободна, передает пакет. Но, если два устройства начнут одновременную передачу, то возникает коллизия, которую сетевая плата должна распознать, передачу отменить, пакет считать не переданным; установить случайное время ожидания и по его истечении повторить передачу пакета. В случае, сели пакет был передан, а коллизий не обнаружено, сетевая плата считает данный пакет успешно переданным и удаляет его из своего буфера.

Если пакет будет слишком коротким, то может возникнуть ситуация, когда пакет был сетевой платой отправлен, у отправителя удален, до получателя еще не дошел, но возникла коллизия, в результате которой пакет не сможет дойти до получателя – ситуация потери пакета. Во избежание подобных ситуаций длина пакета определяется максимальной длиной сети. Подсчитано, что при длине сети в 2 км пакет, передаваемый на скорости 10 Мбит/сек, длиной в 64 байта, успеет дойти от отправителя до получателя даже в случае, если отправитель и получатель будут находиться на максимальном отдалении друг от друга.

К 1995 году на смену Ethernet со скоростью 10 Мбит/с пришел Fast Ethernet, позволяющий

• передавать на скорости 100 Мбит/с
• совмещать в одной сети устройства Ethernet и Fast Ethernet.

Именно преемственность технологий обеспечила одной из многих существующих в то время сетевых технологий успешное продвижение на рынке.

Fast Ethernet не только повысил скорость передачи, но и отказался от коаксиального кабеля, заменив его витой парой. Одновременно шинная топология была заменена на звезду. Единственным минусом Fast Ethernet было сокращение размера сети до 200 м. Причиной чего было сохранение формата пакета Ethernet: при прочих равных, данные передаваемые в десять раз быстрее, должны были по-прежнему дойти до получателя ранее, чем будут удалены у отправителя.

Тем не менее, для построения локальных сетей масштаба офиса этого расстояния оказалось достаточно, а обеспечиваемая скорость и совместимость с устройствами Ethernet закрепили за этим стандартом положение лидера на рынке.

В 1998 году появился стандарт Gigabit Ethernet, также совместимый со всеми предыдущими стандартами и обеспечивающий скорость 1000 Мбит/с. Основной целью разработчиков по-прежнему оставалась совместимость с предшествующими стандартами при увеличении скорости.

Для достижения данной цели были сохранены все форматы кадров Ethernet и используемые кабели: волоконно-оптический кабель и витая пара категории 5.

Но, в силу очередного увеличения скорости уменьшать длину сети в десять раз (до 20 метров) было неразумно. Поэтому в механизм CSMA/CD были внесены изменения: удлинен сигнал несущей с 64 до 512 байт при передаче небольших пакетов. Но, чтобы не уменьшать пропускную способность, была введена возможность пакетной передачи (маленькие пакеты передаются вплотную до тех пор, пока не сработает ограничение по длительности пачки импульсов на 1500 байт). Также, помимо полудуплексной версии протокола, поддерживающей метод доступа CSMA/CD, была и полнодуплексная версия, работающая с коммутаторами.

Для повышения надежности передачи данные кодировались избыточными битами 8В/10В.

В 2002 году был разработан стандарт 10GB Ethernet, позволяющий передавать информацию на скорости 10000 Мбит/в секунду, работающий на оптоволокне. В 2006 году был разработан 10GB Ethernet, передающий данные по витой паре.

Wi-Fi

Под именем Wi-Fi подразумевается оборудование, работающее по протоколу IEEE 802.11, разработанному в 1997 году.

Стандарт IEEE 802.11 предназначен для беспроводной связи между собой различных устройств, с высокой скоростью передачи данных на относительно небольшие расстояния и имеет различные модификации 802.11a, 802.11b, 802.11g i/e/.../w.

Используемый метод доступа - Доступ к среде: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA). Формат кадра имеет сходство с форматом кадра Ethernet с некоторыми исключениями, связанными со спецификой беспроводной технологии.

Основные модификации стандарта IEEE 802.11:

• IEEE 802.11b - 1999 год, 2.4ГГц, максимальная скорость 11 Мбит/с; пропускная способность (1-6 Мбит/с), WEP, передача на 45м в закрытом помещении (160м, 300м)
• IEEE 802.11a - 1999 год , 5ГГц, 54 Мбит/с, дальность передачи 20-30м (до 100м на открытом расстоянии)
• EEE 802.11g – 2002 год, 2,4 ГГц, 54 Мбит/с , дальность передачи порядка 45 м в закрытом помещении
• IEEE 802.11n – 2009 год, до 600 Мбит/c, 2,4-2,5 или 5 ГГц. Обратная совместимость с 802.11a/b/g. Увеличение скорости передачи данных в этом стандарте достигнуто за счет использования несколько антенн для передатчика и приёмника - множественный ввод/вывод – технология MIMO (multiple input multiple output).
• 802.11ac — 2014 год, 5 ГГц, до 6,77 Гбит/с для устройств, имеющих 8 антенн.

Основные беспроводные устройства:

• беспроводные платы (или адаптеры), выполненные по стандарту 802.11 и обеспечивающие беспроводное подключение к иному беспроводному устройству – к другому адаптеру или к точке доступа.
• точки доступа, обеспечивающие обмен данными между несколькими беспроводными устройствами, (беспроводной аналог концентратора или коммутатора). Как правило, точки доступа оснащены портом для подключения к проводной сети, что позволяет создать единую сеть проводных и беспроводных устройств. Точка доступа бывает совмещена с маршрутизатором.
• антенны точек доступа.

Wi-Fi оборудование может работать в различных режимах соединения:

• режим Ad hoc, при котором клиенты устанавливают связь непосредственно друг с другом, создавая одноранговое взаимодействие «точка-точка». В этом режиме создается только одна зона обслуживания, не имеющая интерфейса для подключения к проводной локальной сети.
• Инфраструктурный режим, при котором точка доступа обеспечивает связь клиентских компьютеров (как беспроводный коммутатор). Точка доступа имеет порт Ethernet, через который базовая зона обслуживания подключается к проводной или смешанной сети.
• WDS (Wireless Distribution System), при котором точки доступа соединяются только между собой, образуя мостовое соединение.
• И проч.

Основными преимуществами технологии Wi-Fi является

· предоставление клиентам «мобильности» в рамках роуминга сети

· доступ в Интернет из своей квартиры

· не требуется тянуть и укреплять кабели при построении локальной сети Wi-Fi

· снижают стоимость установки и эксплуатации

• простота подсоединения новых пользователей,

Основной минус уязвимость перед злоумышленниками.

Bluetooth

Хотя Bluetooth является беспроводной технологией, надо понимать, что она несовместима со стандартом 802.11 стандартами. Bluetooth – коммерческое имя стандарта 802.15.1.

Технология Bluetooth была разработана в 1998 году и задумывалась как технология беспроводной передачи данных, позволяющая соединять друг с другом практически любые устройства, оснащенные Bluetooth-чипом (адаптером): мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты и даже холодильники, микроволновые печи, кондиционеры.

При этом основной целью было именно объединение разнородных устройств для обеспечения передачи информации между ними; скорость передачи данных первых устройств была невысока - 721 Кбит/с (~500). Радиус действия также небольшой - 10 метров (впоследствии появились устройства на 100 м). Частота работы устройств 2,4 ГГц (совпадающая с частотой работы многих прочих устройств, что дает большую вероятность помех). Но основным преимуществом данной технологии был небольшой расход электричества.

Также Bluetooth технология предполагает минимальные усилия пользователя для организации соединения: устройства самостоятельно выстраивают и конфигурируют соединение. Пользователь должен только указать, с чем следует соединиться, и ввести код доступа.

Некоторые устройства могут образовывать соединения типа точка-точка. Некоторые устройства Bluetooth могут выполнять функцию Мастера, организуя так называемые piconet – соединения точка-к-многоточек (одно устройство работает с несколькими). Объединение нескольких piconet образует scatternet. В scatternet объединяются столько Bluetooth устройств, сколько необходимо. Логические связи между устройствами образуются так, как это требуется, и изменяются в случае необходимости.

Коммутатор

Коммутатор в настоящее время является основным устройством, образующим локальную сеть. Подобно концентратору он позволяет объединить в единую сеть множество устройств, но в отличие от концентратора, коммутатор передает данные только тому устройству, которому они предназначены.

Принятие решения о перебросе принятого кадра на тот или иной порт производится в соответствии с MAC-адресом получателя кадра: у коммутатора есть внутренняя таблица, в которой хранится соответствие между MAC-адресами подключенных устройств и портами коммутатора, к которым они подключены.

Если на какой-либо порт коммутатора приходит пакет с MAC-адресом 08-00-27-00-FC-EC, то данный пакет будет переброшен только на второй порт коммутатора. Если на какой-либо порт приходит пакет с неизвестным MAC-адресом (например, 08-00-27-00-FC-АА), то данный пакет будет отправлен на ВСЕ порты коммутатора, кроме того, с которого он пришел.

Таблица коммутатора формируется коммутатором автоматически на этапе включения: пока таблица пуста, все приходящие пакеты рассылаются на все порты. Но по MAC-адресам отправителей коммутатор определяет, какое устройство находится на каком порту и заносит эту информацию в таблицу. Таким образом, в первые доли секунды работы коммутатора, коммутатор работает в режиме концентратора.

Коммутаторы не предполагают соединения резервными каналами связи: рассмотрим ситуацию, когда коммутатор 1 и коммутатор 2 соединили двумя кабелями. Предположим, устройство с адресом 08-00-27-00-FC-EB отправляет пакет на широковещательный адрес FF-FF-FF-FF-FF-FF или на неизвестный коммутатору 1 адрес. Согласно протоколу работы коммутатор 1 разошлет этот пакет по ВСЕ своим портам, кроме 1-го. Коммутатор 2 примет данный пакет и с порта 1 и с порта 7. Занесет информацию, что устройство с адресом 08-00-27-00-FC-EB расположено и на порту 1, и на порту 7, и, в соответствии с предписанным алгоритмом работы разошлет незнакомый пакет на ВСЕ порты, кроме тех, через которые был принят пакет. Копия пакета, пришедшая с первого порта, вернется в коммутатор 1 через 7-ой порт; копия пакета, пришедшая через 7-ой порт, вернется в коммутатор 1 через 1 порт. Коммутатор 1 должен внести в свою таблицу информацию, что устройство с адресом 08-00-27-00-FC-EB расположено на 7 и 8 его портах, и далее переслать пакеты во все порты, кроме тех, через которые пакет пришел.

Таким образом, образуется не только избыточная и недостоверная информация в таблицах коммутатора, но и петля, в которой будут бесконечно передаваться указанные пакеты, но и избыточный трафик на всех прочих портах коммутатора.

Коммутаторы бывают неуправляемые и управляемые. Неуправляемые автоматически формируют таблицу коммутации и передают пакеты в соответствии с таблицей. Управляемые коммутаторы имеют свой MAC- адрес, свой IP-адрес, по которым можно обратиться к устройству для мониторинга его состояния или настройки устройства:

• Просмотреть состояние портов, интенсивность трафика и количество ошибок;
• Настроить фильтрацию трафика: отбрасывать кадры с определенным адресом;
• Задать приоритетную обработку кадров;
• Настроить VLAN.

VLAN - Virtual LAN Виртуальная локальная сеть, которая создается программной настройкой коммутатора, позволяющей разделить единую сеть канального уровня на несколько отдельных сетей. Основные цели виртуальных сетей:

• повышение полезной пропускной способности за счет локализации широковещательного трафика;
• формирование виртуальных рабочих групп из некомпактно (в плане физического подключения) расположенных узлов;
• обеспечение безопасности отдельных рабочих групп.

Исторически существует два способа создания VLAN: группировкой портов и по стандарту 802.1Q.

Группировка портов подразумевает, что в настройках коммутатора указывается принадлежность порта к виртуальной сети. В схеме, приведенной на рисунке, устройства, присоединенные к портам, 1,2 и 5 входят в первую VLAN; к 3 и 4 – во вторую VLAN; к 7 и 8 – в третью. В пределах одной виртуальной сети устройства могут обмениваться данными; Никакой трафик (включая широковещательный) не может выйти за пределы виртуальной сети.

Группировка потов – самый простейший способ создания виртуальный сетей, но при использовании этого способа возникают проблемы, если виртуальную сеть требуется создавать объединением нескольких коммутаторов.

В приведенной схеме требуется объединить два коммутатора, на которых настроены три виртуальные сети. При этом возникает проблема, к какой виртуальной сети приписать порт 6, соединяющий коммутаторы: если приписать его в первой сети, то 2-ая и 3-ья виртуальные сети окажутся «разорванными». Тот же эффект получится, если приписать его ко 2 или 3-ей сети. Единственным выходом из положения является объединение коммутаторов тремя (!) кабелями, каждый из которых входит в свою виртуальную сеть. Очевидно, что этот способ не разумен и ведет к большому количеству потерь по портам. Поэтому данный способ в настоящее время не используется.

Альтернативой ему является создание виртуальных сетей по стандарту 802. 1Q. Согласно стандарту, информация о принадлежности передаваемых от одного коммутатора другому коммутатору кадров к той или иной виртуальной сети встраивается в сам передаваемый кадр.

Для этого в кадр вводится дополнительное поле – Tag – поле, содержащее номер виртуальной сети, в которую надо передать данный кадр. Кадр с полем Tag носит название тегированного кадра. Кадр без метки виртуальной сети – нетегированного кадра.

Тегированный порты коммутатора передают и принимают тегированные кадры. Нетегированные порты коммутатора передают и принимают нетегированные кадры.

Компьютеры соединяются с нетегированными портами коммутатора. Коммутаторы соединяются друг с другом тегированными портами. В приведенной схеме порты под номерами 6 обоих коммутаторов настраиваются как тегированные, способные передавать кадры первой, второй и третьей виртуальный сетей. Когда кадр от, например, 5-го порта первого коммутатора передается на второй коммутатор, в 6м порту в кадр встраивается метка 2-ой виртуальной сети. Кадр приходит на 2-ой коммутатор и несет в себе метку 2-ой сети согласно которой кадр может быть отправлен на порт 3 или 4 второго коммутатора (принадлежащие 2ой VLAN).

Сетевой уровень

Вопрос передачи пакета от одного устройства другому устройству в пределах одной сети решается на канальном уровне. Сетевой уровень решает вопросы передачи пакета между различными сетями.

На приведенном рисунке передача данных из 2ой сети в 6ую сеть может быть реализована несколькими путями: через маршрутизаторы М1-М3-М5 или М1-М2-М3-М5 или М1-М2-М3-М4-М5 или М1-М3-М4-М5. Не всегда самый короткий по количеству переходов путь оказывается самым быстрым. Иногда некоторые каналы связи становятся недоступными и маршрут следования пакета изменяется. Независимо от каких-либо причин пакет должен быть доставлен от отправителя к получателю. Именно это и является задачей сетевого уровня.

Основное устройство сетевого уровня – маршрутизатор. Основные протоколы – IP, ICMP, ARP.

Рассмотрим подробнее вопросы передачи пакета между различными сетями.

Маршрутизатор

Маршрутизатор – это коммуникационное оборудование, позволяющее обмениваться данными устройствам из различных сетей.

Маршрутизатор объединяет сети, позволяя передавать данные из одной сети в другую, и, одновременно, разделяет сети, блокируя передачу широковещательных пакетов из одной сети в другую.

Маршрутизатор имеет столько интерфейсов, к скольким сетям он подключен.

Работа маршрутизатора заключается в приеме пакета на один из интерфейсов и принятие решение о дальнейшем пути следования пакета. Широковещательные пакеты не передаются через маршрутизатор. Маршрут пакета, предназначенного конкретному устройству, определяется по IP-адресу получателя в соответствии с правилами таблицы маршрутизации.

IP

IP (Internet Protocol) определяет программно-устанавливаемый IP-адрес устройства, указывая одновременно как на адрес самого устройства, так и на адрес сети данного устройства (подробнее смотри «IP-адресация»). Помимо определения IP-адреса, IP протокол определяет механизм следования пакета между сетями.

Рассмотрим подробнее процесс передачи пакета от одного устройства другому устройству согласно протоколу IP.

Для начала рассмотрим передачу информации в рамках одной сети, например, от ПК1 к ПК3.

• ПК1 с адресом 192.168.2.1. собирается передать пакет на адрес 192.168.2.3 (на рисунке приведен сокращенный формат пакета),

• До начала передачи ПК1 проверяет, находится ли получатель в той же сети, что и сам ПК1; для этого накладывается на адрес получателя своя маска 255.255.255.0 (маска получателя неизвестна).
• Адрес сети получателя 192.168.2.0 совпадает с адресом сети самого ПК1. Следовательно, пакет можно отправлять в сеть с использованием протоколов канального уровня. Но, IP-адрес получателя в 4-ой версии протокола TCP/IP не связан с MAC-адресом. А передача в рамках своей сети производится согласно MAC-адресу сетевой карты получателя. Следовательно, надо получить MAC-адрес получателя.
• Для получения MAC-адреса получателя применяется протокол ARP (Address Resolution Protocol), который входит в стек протоколов TCP/IP, и позволяет получить MAC-адрес по IP-адресу. Для этого ПК1 отправляет в сеть 192.168.2.0 отправляется широковещательный запрос, предназначенный всем устройствам данной сети; IP-адрес данного пакета 192.168.2.255 (во всех хост-битах находятся единицы); MAC-адрес данного пакета FF-FF-FF-FF-FF-FF.

• В запросе, согласно протоколу ARP, содержится требование отозваться тому устройству, которое имеет IP-адрес 192.168.2.3. Согласно протоколу ARP ПК3 отзывается на этот запрос, отправляя пакет со своим MAC-адресом ПК1.
• ПК1 формирует пакет в котором указаны следующие адреса получателя и отправителя:

• Пакет отправляется в сеть посредством протоколов канального уровня (работа сетевой платы), поступает на коммутатор, коммутатор в соответствии со своей адресной таблицей перебрасывает его на порт подключения ПК3. Сетевая плата ПК3 распознает пакет, адресованный ПК3.
• Передача пакета успешно завершена.

Рассмотрим ситуацию, когда пакет передается из одной сети в другую сеть, например, от ПК1 к ПК5.

• ПК1 с адресом 192.168.2.1. собирается передать пакет на адрес 192.168.4.2

• До начала передачи ПК1 проверяет, находится ли получатель в той же сети, что и сам ПК1; для этого на адрес получателя накладываетсямаска 255.255.255.0.
• Адрес сети получателя 192.168.4.0 не совпадает с адресом сети самого ПК1. Следовательно, пакет не предназначен устройству в сети отправителя.
• При несовпадении сети отправителя и сети получателя пакет, в соответствии с протоколом IP, следует отправить на устройство, которое должно найти маршрут к получателю – на маршрутизатор. Адрес маршрутизатора должен быть указан в настройках каждого устройства сети, которое предполагает возможность обмена данными с устройствами другой сети как «Шлюз по –умолчанию». При отсутствии адреса маршрутизатора обмен информацией с другой сетью невозможен. ПК1 считает ПК5 недоступным. Данные не передаются.
• При наличии в настройках ПК1 адреса шлюза по-умолчанию ПК1 пересылает пакет, предназначенный для ПК5 на маршрутизатор, чтобы маршрутизатор определил дальнейший маршрут следования пакета.
• ПК1 знает IP-адрес маршрутизатора в своей сети, но не знает его MAC-адреса. Аналогично предыдущей ситуации MAC-адрес маршрутизатора определяется при помощи протокола ARP. ПК1 дает широковещательный запрос:

• Интерфейс маршрутизатора 192.168.2.254 отвечает на запрос, посылая ПК1 свой MAC-адрес.
• Формируется пакет, в котором IP-адреса приемника и получателя – адреса ПК1 и ПК5, а MAC-адрес получателя – интерфейс маршрутизатора в сети 192.168.2.0.

• Пакет через коммутатор передается на интерфейс маршрутизатора в сети 192.168.2.0.
• Маршрутизатор принимает пакет (согласно MAC-адресу получателя пакет направлен именно ему). Отбрасывает MAC-адреса и анализирует IP-адреса пакета.

• Основной задаче маршрутизатора является определения маршрута дальнейшего следования пакета. Маршрут пакета определяется на основании IP-приемника. Путь следования определяется с помощью таблицы маршрутизации, которая обязательно есть у каждого маршрутизатора. Таблица маршрутизации содержит информацию, с помощью которой принимает решение, на какой адрес и через какой интерфейс маршрутизатора пакет пойдет далее.
• Маршрутизатор определяет, что пакет должен быть передан в сеть 192.168.4.0 через интерфейс 192.168.4.254.
• Через ARP запрос маршрутизатор определяет MAC-адрес получателя пакета в сети 192.168.4.0, отправляя широковещательный запрос:

• ПК5 отзывается на запрос, сообщая маршрутизатору свой MAC-адрес.
• Заново формируется пакет с новыми MAC-адресами отправителя (теперь это MAC-адрес интерфейса маршрутизатора в сети 192.168.4.0) и MAC-адрес получателя (теперь это адрес ПК5).

• Пакет передается через коммутатор сети 192.168.4.0 и принимается сетевой платой ПК5.
• Передача пакета успешно завершена.

Очень важно увидеть, что в процессе передачи пакета IP-адреса приемника и источника не меняются.

В примере разобран простейший случай, когда пакет должен быть передан из одной сети в другую; сети соединены одним маршрутизатором. В реальной жизни часто путь следования пакета пролегает между десятком маршрутизаторов.

Таблица маршрутизации

Как видно из вышенаписанного маршрутизатор принимает решение о дальнейшем следовании пакета в соответствии с таблицей маршрутизации.

Таблица маршрутизации заполняется либо вручную администратором сети (статическая маршрутизация), либо автоматически с помощью специальных протоколов динамической маршрутизации – RIP2, OSPF, EIGRP.

Таблица маршрутизации содержит записи; каждая запись является правилом следования пакета и имеет следующие поля:

• Адрес назначения – IP-адрес маршрут, к которому описан данным правилом
• Маска – определяет, адрес чего указан – адрес узла (255.255.255.255) или адрес сети (количество единиц в маске меньше 32х)
• Адрес шлюза – адрес устройства, на который надо далее отправить данный пакет
• Интерфейс маршрутизатора – адрес интерфейса маршрутизатора, через который будет отправлен далее пакет
• Метрика – длина маршрута

Исходно маршрутизатор ищет в таблице маршрутизации точное совпадение адреса получателя с записью в таблице (то есть адрес узла).

Адреса узлов нечасто указываются в таблице маршрутизации (если бы маршрутизаторы содержали записи о всех устройствах всех сетей, размер таблицы был бы слишком велик).

При отсутствии адреса узла, ищется адрес сети, в которой находится узел. В достаточно больших сетях таблица маршрутизации каждого маршрутизатора может и не иметь адреса всех сетей.

При отсутствии адреса нужной сети ищется адрес шлюза по умолчанию. Шлюз по умолчанию для маршрутизатора – адрес того маршрутизатора, который должен иметь информации о нужной сети.

При отсутствии адреса шлюза по умолчанию маршрутизатор не может принять решение о дальнейшей передаче пакета. Пакет удаляется. Передача прекращается.

Рассмотрим условный пример объединения сетей. На рисунке сети объединяются при помощи маршрутизаторов. У маршрутизаторов может быть разное количество интерфейсов. Но обязательно для каждой сети маршрутизатор должен иметь интерфейс (IP-адрес в этой сети).

На рисунке в условном виде приведены таблицы маршрутизатора для M6 и M1.

Как видно из рисунка и таблиц, для 6-го маршрутизатора сети S7 и S8 имеют прямое подключение к маршрутизатору. К сети S6 путь лежит через M4; при этом пакеты надо направлять на адрес M4(1) через свой интерфейс M6(1); длина пути – 2 маршрутизатора – M4 и M5. Пути к S5 и S4 также лежат через M4. Только длина маршрута – 3 маршрутизатора - M4, M3 и M2.

К сетям S1, S2 и S3 путь не прописан (это возможно), но доступ к этим сетям возможен: пакеты в эти сети будут отправлены на шлюз по умолчанию – на M4.

Аналогичные таблицы маршрутизации должны присутствовать на каждом маршрутизаторе.

Обратите внимание: при ошибках в таблице маршрутизации пакеты могут быть неправильно направлены и не дойти по получателя. Например, если на маршрутизаторе M4 будет прописан путь в S1 через M6, то пакет, адресованный из седьмой сети в первую, никогда не дойдет по получателя: M6 будет отправлять его M4; M4 будет отправлять его обратно M6.

Описанная ситуация и подобные ей не только не обеспечивают передачу данных между двумя сетями, но и приводят к появлению постоянно накапливающего паразитного трафика. Для купирования подобных ситуаций в пакет встраивает поле TTL (Time-to-Live), время жизни пакета. Это время уменьшается на единицу при прохождении пакета через маршрутизатор. Если TTL достигает значения 0, то пакет удаляется.

Таблица маршрутизации присутствует не только на маршрутизаторах; операционная система персональных компьютеров также создает таблицу маршрутизации на основе IP-адресов интерфейсов данного компьютера.