В общедоступном значении слова маршрутизация означает передвижение информации от источника к пункту назначения через об"единенную сеть. При этом, как правило, на пути встречается по крайней мере один узел. Маршрутизация часто противопоставляется об"единению сетей с помощью моста, которое, в популярном понимании этого способа, выполняет точно такие же функции. Основное различие между ними заключается в том, что об"единение с помощью моста имеет место на Уровне 2 эталонной модели ISO, в то время как маршрутизация встречается на Уровне 3. Этой разницей об"ясняется то, что маршрутизация и об"единение по мостовой схеме используют различную информацию в процессе ее перемещения от источника к месту назначения. Результатом этого является то, что маршрутизация и об"единение с помощью моста выполняют свои задачи разными способами; фактически, имеется несколько различных видов маршрутизации и об"единения с помощью мостов.

Коммутация Алгоритмы коммутации сравнительно просты и в основном одинаковы для большинства протоколов маршрутизации. В большинстве случаев главная вычислительная машина определяет необходимость отправки пакета в другую главную вычислительную машину. Получив определенным способом адрес роутера, главная вычислительная машина-источник отправляет пакет, адресованный специально в физический адрес роутера (уровень МАС), однако с адресом протокола (сетевой уровень) главной вычислительной машины пункта назначения.

После проверки адреса протокола пункта назначения пакета роутер определяет, знает он или нет, как передать этот пакет к следующему роутеру. Во втором случае (когда роутер не знает, как переслать пакет) пакет, как правило, игнорируется. В первом случае роутер отсылает пакет к следующей роутеру путем замены физического адреса пункта назначения на физический адрес следующего роутера и последующей передачи пакета.

Следующая пересылка может быть или не быть главной вычислительной машиной окончательного пункта назначения. Если нет, то следующей пересылкой, как правило, является другой роутер, который выполняет такой же процесс принятия решения о коммутации. По мере того, как пакет продвигается через об"единенную сеть, его физический адрес меняется, однако адрес протокола остается неизменным.

Ниже приводится описание всех четырех модификаций заголовков кадров Ethernet (причем под заголовком кадра понимается весь набор полей, которые относятся к канальному уровню):

Кадр 802.3/LLC (или кадр Novell 802.2)

Кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3)

Кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II)

Кадр Ethernet SNAP

Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах 802.3 и 802.2.

Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка:

Поле преамбулы состоит из семи байтов синхронизирующих данных. Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов - 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом. Преамбула используется для того, чтобы дать время и возможность схемам приемопередатчиков (transceiver) прийти в устойчивый синхронизм с принимаемыми тактовыми сигналами.

Начальный ограничитель кадра состоит из одного байта с набором битов 10101011. Появление этой комбинации является указанием на предстоящий прием кадра.

Адрес получателя - может быть длиной 2 или 6 байтов (MAC-адрес получателя). Первый бит адреса получателя - это признак того, является адрес индивидуальным или групповым: если 0, то адрес указывает на определенную станцию, если 1, то это групповой адрес нескольких (возможно всех) станций сети. При широковещательной адресации все биты поля адреса устанавливаются в 1. Общепринятым является использование 6-байтовых адресов.

Адрес отправителя - 2-х или 6-ти байтовое поле, содержащее адрес станции отправителя. Первый бит - всегда имеет значение 0.

Двухбайтовое поле длины определяет длину поля данных в кадре.

Поле данных может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимально допустимой длины.

Поле заполнения состоит из такого количества байтов заполнителей, которое обеспечивает определенную минимальную длину поля данных (46 байт). Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется.

Поле контрольной суммы - 4 байта, содержащие значение, которое вычисляется по определенному алгоритму (полиному CRC-32). После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр.

Кадр 802.3 является кадром MAС-подуровня, в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. Формат кадра LLC был описан выше.

Результирующий кадр 802.3/LLC изображен в левой части рисунка 4. Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 байта, то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 байт.

Рис. 4. Форматы кадров Ethernet

Кадр стандарта Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, похож на кадр Raw 802.3 тем, что он также не использует заголовки подуровня LLC, но отличается тем, что на месте поля длины в нем определено поле типа протокола (поле Type). Это поле предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC - для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра. Для кодирования типа протокола используются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500, поэтому кадры Ethernet II и 802.3 легко различимы.

Еще одним популярным форматом кадра является кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP определен в стандарте 802.2H и представляет собой расширение кадра 802.3 путем введения дополнительного поля идентификатора организации, которое может использоваться для ограничения доступа к сети компьютеров других организаций.

В таблице 2 приведены данные о том, какие типы кадров Ethernet обычно поддерживают реализации популярных протоколов сетевого уровня.

Таблица 2

39. Адресация в сетевых системах с пакетной коммутацией. Проблема и общие алгоритмы маршрутизации.

В стеке TCP/IP используются три типа адресов: локальные (называемые также аппаратными), IP-адреса и символьные доменные имена. Все эти типы адресов присваиваются узлам составной сети независимо друг от друга.

IP-адрес имеет длину 4 байта и состоит из номера сети и номера узла. Для определения границы, отделяющей номер сети от номера узла, реализуются два подхода. Первый основан на понятии класса адреса, второй - на использовании масок.

Класс адреса определяется значениями нескольких первых бит адреса. В адресах класса А под номер сети отводится один байт, а остальные три байта - под номер узла, поэтому они используются в самых больших сетях. Для небольших сетей больше подходят адреса класса С, в которых номер сети занимает три байта, а для нумерации узлов может быть использован только один байт. Промежуточное положение занимают адреса класса В.

Другой способ определения, какая часть адреса является номером сети, а какая номером узла, основан на использовании маски. Маска - это число, которое используется в паре с IP-адресом; двоичная запись маски содержит единицы в тех разрядах, которые в IP-адресе должны интерпретироваться как номер сети.

Номера сетей назначаются либо централизованно, если сеть является частью Internet, либо произвольно, если сеть работает автономно.

Процесс распределения IP-адресов по узлам сети может быть автоматизирован с помощью протокола DHCP.

Установление соответствия между IP-адресом и аппаратным адресом (чаще всего МАС-адресом) осуществляется протоколом разрешения адресов ARP, который для этой цели просматривает ARP-таблицы. Если нужный адрес отсутствует, то выполняется широковещательный ARP-запрос.

В стеке TCP/IP применяется доменная система символьных имен, которая имеет иерархическую древовидную структуру, допускающую использование в имени произвольного количества составных частей. Совокупность имен, у которых несколько старших составных частей совпадают, образуют домен имен. Доменные имена назначаются централизованно, если сеть является частью Internet, в противном случае - локально.

Соответствие между доменными именами и IP-адресами может устанавливаться как средствами локального хоста с использованием файла hosts, так и с помощью централизованной службы DNS, основанной на распределенной базе отображений «доменное имя - IP-адрес».

Маршрутизатор представляет собой сложное многофункциональное устройство, в задачи которого входит: построение таблицы маршрутизации, определение на ее основе маршрута, буферизация, фрагментация и фильтрация поступающих пакетов, поддержка сетевых интерфейсов. Функции маршрутизаторов могут выполнять как специализированные устройства, так и универсальные компьютеры с соответствующим программным обеспечением.

Для алгоритмов маршрутизации характерны одношаговый и многошаговый подходы. Одношаговые алгоритмы делятся на алгоритмы фиксированной, простой и адаптивной маршрутизации. Адаптивные протоколы маршрутизации являются наиболее распространенными и в свою очередь могут быть основаны на дистанционно-векторных алгоритмах и алгоритмах состояния связей.

Алгоритмы маршрутизации должны быть гибкими. Другими словами, алгоритмы маршрутизации должны быстро и точно адаптироваться к разнообразным обстоятельствам в сети. Например, предположим, что сегмент сети отвергнут. Многие алгоритмы маршрутизации, после того как они узнают об этой проблеме, быстро выбирают следующий наилучший путь для всех маршрутов, которые обычно используют этот сегмент. Алгоритмы маршрутизации могут быть запрограммированы таким образом, чтобы они могли адаптироваться к изменениям полосы пропускания сети, размеров очереди к роутеру, величины задержки сети и других переменных.

Статические или динамические алгоритмы

Статические алгоритмы маршрутизации вообще вряд ли являются алгоритмами. Распределение статических таблиц маршрутизации устанавливется администратором сети до начала маршрутизации. Оно не меняется, если только администратор сети не изменит его. Алгоритмы, использующие статические маршруты, просты для разработки и хорошо работают в окружениях, где трафик сети относительно предсказуем, а схема сети относительно проста.

Т.к. статические системы маршрутизации не могут реагировать на изменения в сети, они, как правило, считаются непригодными для современных крупных, постоянно изменяющихся сетей. Большинство доминирующих алгоритмов маршрутизации 1990гг. - динамические.

Динамические алгоритмы маршрутизации подстраиваются к изменяющимся обстоятельствам сети в масштабе реального времени. Они выполняют это путем анализа поступающих сообщений об обновлении маршрутизации. Если в сообщении указывается, что имело место изменение сети, программы маршрутизации пересчитывают маршруты и рассылают новые сообщения о корректировке маршрутизации. Такие сообщения пронизывают сеть, стимулируя роутеры заново прогонять свои алгоритмы и соответствующим образом изменять таблицы маршрутизации. Динамические алгоритмы маршрутизации могут дополнять статические маршруты там, где это уместно. Например, можно разработать "роутер последнего обращения" (т.е. роутер, в который отсылаются все неотправленные по определенному маршруту пакеты). Такой роутер выполняет роль хранилища неотправленных пакетов, гарантируя, что все сообщения будут хотя бы определенным образом обработаны.

Одномаршрутные или многомаршрутные алгоритмы

Некоторые сложные протоколы маршрутизации обеспечивают множество маршрутов к одному и тому же пункту назначения. Такие многомаршрутные алгоритмы делают возможной мультиплексную передачу трафика по многочисленным линиям; одномаршрутные алгоритмы не могут делать этого. Преимущества многомаршрутных алгоритмов очевидны - они могут обеспечить заначительно большую пропускную способность и надежность.

Одноуровневые или иерархические алгоритмы

Некоторые алгоритмы маршрутизации оперируют в плоском пространстве, в то время как другие используют иерархиии маршрутизации. В одноуровневой системе маршрутизации все роутеры равны по отношению друг к другу. В иерархической системе маршрутизации некоторые роутеры формируют то, что составляет основу (backbone - базу) маршрутизации. Пакеты из небазовых роутеров перемещаются к базовыи роутерам и пропускаются через них до тех пор, пока не достигнут общей области пункта назначения. Начиная с этого момента, они перемещаются от последнего базового роутера через один или несколько небазовых роутеров до конечного пункта назначения.

Системы маршрутизации часто устанавливают логические группы узлов, называемых доменами, или автономными системами (AS), или областями. В иерархических системах одни роутеры какого-либо домена могут сообщаться с роутерами других доменов, в то время как другие роутеры этого домена могут поддерживать связь с роутеры только в пределах своего домена. В очень крупных сетях могут существовать дополнительные иерархические уровни. Роутеры наивысшего иерархического уровня образуют базу маршрутизации.

Основным преимуществом иерархической маршрутизации является то, что она имитирует организацию большинства компаний и следовательно, очень хорошо поддерживает их схемы трафика. Большая часть сетевой связи имеет место в пределах групп небольших компаний (доменов). Внутридоменным роутерам необходимо знать только о других роутерах в пределах своего домена, поэтому их алгоритмы маршрутизации могут быть упрощенными. Соответственно может быть уменьшен и трафик обновления маршрутизации, зависящий от используемого алгоритма маршрутизации.

Алгоритмы с игнтеллектом в главной вычислительной машине или в роутере

Некоторые алгоритмы маршрутизации предполагают, что конечный узел источника определяет весь маршрут. Обычно это называют маршрутизацией от источника. В системах маршрутизации от источника роутеры действуют просто как устойства хранения и пересылки пакета, без всякий раздумий отсылая его к следующей остановке.

Другие алгоритмы предполагают, что главные вычислительные машины ничего не знают о маршрутах. При использовании этих алгоритмов роутеры определяют маршрут через об"единенную сеть, базируясь на своих собственных расчетах. В первой системе, рассмотренной выше, интеллект маршрутизации находится в главной вычислительной машине. В системе, рассмотренной во втором случае, интеллектом маршрутизации наделены роутеры.

Компромисс между маршрутизацией с интеллектом в главной вычислительной машине и маршрутизацией с интеллектом в роутере достигается путем сопоставления оптимальности маршрута с непроизводительными затратами трафика. Системы с интеллектом в главной вычислительной машине чаще выбирают наилучшие маршруты, т.к. они, как правило, находят все возможные маршруты к пункту назначения, прежде чем пакет будет действительно отослан. Затем они выбирают наилучший мааршрут, основываясь на определении оптимальности данной конкретной системы. Однако акт определения всех маршрутов часто требует значительного трафика поиска и большого об"ема времени.

Внутридоменные или междоменные алгоритмы

Некоторые алгоритмы маршрутизации действуют только в пределах доменов; другие - как в пределах доменов, так и между ними. Природа этих двух типов алгоритмов различная. Поэтому понятно, что оптимальный алгоритм внутридоменной маршрутизации не обязательно будет оптимальным алгоритмом междоменной маршрутизации.

Алгоритмы состояния канала или вектора расстояния

Алгоритмы состояния канала (известные также как алгоритмы "первоочередности наикратчайшего маршрута") направляют потоки маршрутной информации во все узлы об"единенной сети. Однако каждый роутер посылает только ту часть маршрутной таблицы, которая описывает состояние его собственных каналов. Алгоритмы вектора расстояния (известные также как алгоритмы Бэлмана-Форда) требуют от каждогo роутера посылки всей или части своей маршрутной таблицы, но только своим соседям. Алгоритмы состояния каналов фактически направляют небольшие корректировки по всем направлениям, в то время как алгоритмы вектора расстояний отсылают более крупные корректировки только в соседние роутеры.

Отличаясь более быстрой сходимостью, алгоритмы состояния каналов несколько меньше склонны к образованию петель маршрутизации, чем алгоритмы вектора расстояния. С другой стороны, алгоритмы состояния канала характеризуются более сложными расчетами в сравнении с алгоритмами вектора расстояний, требуя большей процессорной мощности и памяти, чем алгоритмы вектора расстояний. Вследствие этого, реализация и поддержка алгоритмов состояния канала может быть более дорогостоящей. Несмотря на их различия, оба типа алгоритмов хорошо функционируют при самых различных обстоятельствах.

Многие юзеры не знают, в чём состоит разница между маршрутизаторами и коммутаторами, ошибочно думая, что устройства имеют одинаковый принцип работы и служат для одних и тех же целей. Чтобы понять отличие, необходимо изучить, для чего используются гаджеты, где чаще всего их устанавливают, на чем основано их функционирование. Главный вывод, который можно сделать, - маршрутизатор и коммутатор - это устройства, применяемые для различных задач и целей. При этом они имеют разную стоимость. Стоит отметить, что оба гаджета используются для . Иногда их сравнивают с третьим видом гаджетов - концентратором, который на сегодняшний день является устаревшим и не соответствует современным технологическим требованиям. Информация, приведённая в статье, будет интересна людям, которым интересен принцип построения сети. В некоторых случаях нужно применять один тип устройств, в то время как в других целесообразно установить второй тип.

Switch и маршрутизатор выполняют различные функции внутри сети

Принцип работы коммутатора

Чтобы понять, в чем разница между коммутатором и маршрутизатором, необходимо изучить основы работы этих устройств. Стоит отметить, что коммутатор, который устанавливается для компьютерных сетей, называется сетевым. Такой прибор применяется для подключения разнообразных компьютеров в сеть в пределах нескольких либо одного сегмента. При этом стоит отметить, что используется канальный, то есть второй уровень модели OSI. Первый уровень применяют устаревшие концентраторы. При этом девайс передаёт информацию непосредственно получателю, что повышает безопасность и производительность устройства по сравнению с концентратором. Коммутатор сохраняет специальные таблицы коммутации. Это сведения о соответствии MAC-адресов узлов к портам гаджета. В процессе работы девайс устанавливает MAC-адрес хоста-отправителя и заносит информацию в таблицу.

Другими словами, любой фрагмент Ethernet, то есть фрагмент пакетной передачи данных, имеет MAC-адрес. Гаджет фиксирует данные о нем и осуществляет работу своеобразного регулировщика, то есть определяет компьютер, на который можно пересылать информацию. Соответственно, на другие компьютеры данные не могут быть переданы. Таким образом, сетевой девайс такого типа гарантирует прямое подключение между передающим и принимающим ноутбуком, компьютером.

Такой девайс не всегда удобно применять при работе с крупными сетями, поскольку память таблиц, с которыми он работает, является лимитированной. При этом такие устройства имеют невысокую цену и обладают прекрасной скоростью функционирования . Очень часто их применяют в крупных компаниях для построения сетей, поскольку такой вариант является недорогим.

Принцип функционирования роутера

Маршрутизатор - это знакомый многим роутер. Такие приборы обладают большим объёмом памяти и фактически представляют мини компьютер. Это позволяет роутеру работать с трафиком до 1 гигабайта. Преимуществом является то, что маршрутизатор совместим со всеми видами интерфейсных модулей. Стоит отметить, что устройство позволяет подключать неограниченное число маршрутов.

Не всегда юзеров удовлетворяет скорость работы, поскольку маршрутизатор проверяет полностью все данные, а не только MAC- и IP-адрес. Такие гаджеты обладают расширенным набором функций , например, могут определить различные программы, которые поступают в качестве входящей информации. Стоит отметить, что девайс функционирует на третьем, более продвинутом уровне OSI. Маршрутизатор позволяет связывать несовместимые по протоколу и архитектурам сети. Такие современные и удобные устройства, безусловно, стоят дороже. При этом девайсы прекрасно справляются с созданием крупных сетей.

Очень часто роутеры применяются для домашнего использования. Обычно гаджет получает IP-адрес от поставщика услуг интернет, а сам проводит IP-адресацию по локальной сети. Множество продвинутых приборов позволяет пользователю ощутить преимущество использования дополнительных функций. Среди них встроенная защита от опасных вредоносных программ, удобный веб-интерфейс, в который можно зайти с помощью любого компьютера либо ноутбука, и даже возможность подсоединения принтера.

Разница между двумя приборами может быть не очень ясна простому обывателю на первый взгляд. Стоит отметить, что они могут использоваться для одних и тех же функций. При этом гаджеты отличаются по своим принципам работы, стоимости, скорости работы и прочим параметрам. Маршрутизатор как бы «додумывает» маршруты передачи данных в то время, как коммутатор ретранслирует их.

Другой тип устройств канального уровня - коммутаторы. В современных сетях они почти совершенно вытеснили мосты и частично маршрутизаторы.

Коммутатор (switch) - внешне похож на концентратор, но это совершенно разные устройства: концентратор передает каждый входящий пакет через все порты, а коммутатор направляет его только на порт, обеспечивающий доступ к целевой системе (рис. 18).

Поскольку коммутатор направляет данные только на один порт, он, по сути, преобразует ЛВС с общей сетевой средой в ЛВС с выделенной (dedicated) средой. В небольшой сети с коммутатором вместо концентратора каждый пакет следует от компьютера-источника к компьютеру-получателю по выделенному пути, который является коллизионным доменом для этих двух компьютеров. Такой коммутатор иногда называют коммутирующим концентратором (switching hub). Широковещательные сообщения коммутаторы передают на все свои порты, но к узковещательным и многоадресным сообщениям это не относится. В процессе узковещательной передачи коллизии никогда не возникают, так как любая пара компьютеров в сети обменивается данными по выделенному кабелю.

Рис. 18. Коммутатор направляет входящий пакет только на порт,

обеспечивающий доступ к системе-получателю

Существует два основных типа коммутаторов: сквозные (cut-through) и с промежуточной буферизацией (store-and-forward). Сквозной коммутатор передает пакеты через соответствующий порт без дополнительной обработки, немедленно, как только они получены, считывая адрес целевой системы в заголовке протокола Канального уровня. Такие коммутаторы называются еще матричными (matrix) или координатными (crossbar). Они относительно недороги и сводят к минимуму так называемое время ожидания (latency), т. е. время, затрачиваемое коммутатором на обработку пакетов. Коммутатор с промежуточной буферизацией дожидается завершения приема пакета и лишь потом отправляет его по назначению. Пока пакет хранится в буферах, коммутатор пользуется этой возможностью, чтобы проверить данные, вычислив их код CRC. Кроме того, коммутатор отслеживает появление других проблем, присущих конкретному протоколу канального уровня, которые приводят к формированию дефектных кадров.

В небольших сетях, как правило, вместо коммутатора можно использовать концентратор. Чаще коммутаторы применяют в крупных интерсетях вместо мостов или маршрутизаторов. В сети с маршрутизатором магистраль переносит межсетевой трафик, сгенерированный всеми сегментами. Это приводит к тому, что она всегда работает в условиях высокого трафика. В коммутируемой сети компьютеры подсоединены к отдельным коммутаторам рабочих групп, которые в свою очередь связаны с высокопроизводительным коммутатором магистрали. В результате любой компьютер сети может соединиться по выделенному каналу с любым другим компьютером, даже если данные проходят через несколько коммутаторов.

Проблема больших интерсетей, связанная с заменой всех маршрутизаторов на коммутаторы, состоит в том, что в результате вместо нескольких небольших широковещательных доменов получается один, но очень большой. Любое широковещательное сообщение, сгенерированное одним компьютером, коммутаторы передают всем остальным компьютерам сети, увеличивая тем самым количество лишних пакетов, обрабатываемых каждой системой. Существует несколько технологий для решения этой проблемы.

· Виртуальные ЛВС (ВЛВС) позволяют выделять в коммутируемой сети подсети, существующие только внутри коммутаторов. Адреса систем, входящих в данную подсеть, задаются сетевым администратором; физическая сеть остается коммутируемой. Системы подсети могут находиться где угодно, поскольку подсеть виртуальна и не зависит от физического расположения компьютеров. Когда компьютер, включенный в подсеть, передает широковещательное сообщение, оно передается только компьютерам данной подсети.

· Уровень коммутации 3 - это вариант ВЛВС, минимизирующий объем маршрутизации между виртуальными сетями. Когда требуется установить связь между системами в разных ВЛВС, маршрутизатор устанавливает соединение между системами, а затем управление берут на себя коммутаторы. Маршрутизация осуществляется только тогда, когда она действительно необходима.

Маршрутизатором (router) называется устройство, связывающее вместе две сети, формируя из них интерсеть. В отличие от мостов и коммутаторов, маршрутизаторы функционируют на Сетевом уровне эталонной модели OSI. Это означает, что маршрутизатор может связывать ЛВС, которые работают с разными протоколами Канального уровня (например, Ethernet и Token Ring), при условии, что все они используют один и тот же протокол Сетевого уровня.

Когда компьютеру в одной ЛВС нужно передать данные компьютеру в другой ЛВС, он посылает пакеты маршрутизатору в своей локальной сети, а маршрутизатор направляет их в целевую сеть. При передаче пакетов маршрутизатор, руководствуется не аппаратным адресом в заголовке канального уровня, а адресом оконечной целевой системы в заголовке протокола сетевого уровня.

Информация о смежных с маршрутизатором сетях содержится в его внутренней таблице маршрутизации (routing table). По этой таблице маршрутизатор определяет, куда направить очередной пакет. Если пакет предназначен для системы в одной из сетей, к которым подключен маршрутизатор, он передает пакет непосредственно этой системе. Если пакет предназначен системе в удаленной сети, маршрутизатор через одну из смежных сетей передает пакет другому маршрутизатору. Если пакету на пути к конечному пункту приходится проходить через множество сетей (рис. 19), каждый обрабатывающий его маршрутизатор называют транзитом (hop). Маршрутизаторы часто оценивают эффективность маршрута по числу транзитов от исходной до целевой системы. Одна из основных функций маршрутизатора - выбор наилучшего маршрута по данным из таблицы маршрутизации.

В отличие от мостов и коммутаторов, маршрутизаторы не умеют составлять таблицы маршрутизации на основе информации из обрабатываемых ими пакетов. Это связано с тем, что для заполнения таблицы маршрутизации нужны подробнос­ти, которых в пакетах нет, а также с тем, что таблица необходима мар­шрутизатору для обработки первых же полученных им пакетов. Поэтому таблицы маршрутизации создаются вручную или автоматически.

Рис. 19. Расстояние между двумя оконечными системами интерсети часто

измеряют числом транзитов (или маршрутизаторов) между ними

Первый способ создания таблицы называется статической маршрутизацией (static routing). Сетевой администратор решает, что следует делать маршрутизатору при получении пакетов, адресованных системам в конкретной сети, и вводит необходимые данные в таблицу. Этим еще можно заниматься в относительно небольшой сети с несколькими маршрутизаторами, но в большой сети конфигурирование таблиц вручную становится неподъемной задачей. Кроме того, маршрутизаторы не могут автоматически корректировать таблицы при изменении структуры сети.

При динамической маршрутизации (dynamic routing) маршрутизаторы с помощью специализированных протоколов маршрутизации обмениваются информацией друг о друге и сетях, к которым они подключены. Когда все маршрутизаторы в интерсети обменяются друг с другом таблицами, у каждого из них будет информация не только о своей собственной, но и о более удаленных сетях.

Существуют два типа протоколов маршрутизации: протоколы внутреннего шлюза и протоколы внешнего шлюза. Протоколы внутреннего шлюза используются в пределах одной автономной системы, в то время как протоколы внешнего шлюза – между автономными системами. Под термином «автономная система» подразумевается сеть, принадлежащая определенной административной единицы (небольшой компании, университету и т.п.). Маршрутизаторы внутри автономных систем используют такие протоколы внутреннего шлюза, как Routing Information Protocol (RIP, протоколы информации маршрутизации) или Open Shortest Path First (OSPF, первоочередное открытие кратчайших маршрутов), для обмена между собой информацией маршрутизации. А наиболее широко распространенными в Интернете протоколами внешнего шлюза являются протоколы Border Gateway Protocol (BGP, пограничный межсетевой протокол) и Exterior Gateway Protocol (EGP, протокол внешнего шлюза).

Протокол информации маршрутизации (RIP, Routing Information Protocol) является наиболее широко используемым протоколом внутреннего шлюза. По большей части это вызвано тем, что он поддерживается множеством операционных систем и прост в установке и эксплуатации. Маршрутизаторы, задействующие обмен сообщениями RIP, используют User Datagram Protocol (UDP, протокол пользовательских дейтаграмм) и порт 520. Когда маршрутизатор включается, он посылает всем маршрутизаторам в сети RIP-сообщение запроса при помощи широковещательной или многоадресной передачи. Другие маршрутизаторы отвечают, передавая свои полные таблицы маршрутизации в RIP-сообщениях ответа, и повторяют сообщения каждые 30 секунд. Маршрутизаторы также могут использовать сообщения RIP для запроса информации об определенном маршруте.

Существенной проблемой данного протокола является достаточно низкая скорость конвергенции , т.е. обновления таблиц маршрутизации на всех маршрутизаторах, вызванное изменениями в сети (такими как неисправность или добавление нового маршрутизатора), из-за того, что обновления генерируются каждым маршрутизатором асинхронно, т. е. без синхронизации или подтверждения. Также RIP широко критикуется за количество производимого широковещательного трафика, и отсутствие поддержки каких-либо форм аутентификации между маршрутизаторами. Другие протоколы внутреннего шлюза, такие как OSPF, были разработаны в ответ на недостатки исходного стандарта RIP, хотя стоит отметить, что большинство из перечисленных недостатков протокола RIP были исправлены в его второй версии, получившей название RIP 2.

Маршрутизация на основе состояния канала (OSPF) - это протокол внутреннего шлюза, который был документально оформлен IETF в 1989 г. и опубликован как RFC 1131. В отличие от RIP и большинства других протоколов TCP/IP, OSPF не переносится внутри транспортных протоколов, таких как UDP и TCP. Сообщения OSPF инкапсулируются непосредственно в IP-дейтаграммы и адресуются порту 89 других маршрутизаторов.

В отличие от протоколов RIP, определяющих эффективность маршрутов по количеству транзитов между сетями, маршрутизация на основе состояния канала, реализованная в OSPF, применяет алгоритм Дейкстры для вычисления эффективности маршрута на базе нескольких критериев.

· Количество транзитов .

· Скорость передачи . Скорость, на которой работают различные линии, - важная составляющая эффективности маршрута. Быстрые линии более предпочтительны, чем медленные.

· Загруженность линий . Протоколы маршрутизации на основе состояния при оценке маршрута игнорируют линии, которые в текущий момент чрезмерно перегружены трафиком.

· Стоимость маршрута . Стоимость маршрута - это метрика, назначаемая администратором сети как вклад для оценки пригодности различных маршрутов.

Маршрутизация на основе состояния канала более сложна, чем RIP, и требует от маршрутизатора больших усилий, но ее оценка сравнительной эффективности маршрутов более точна, а также она имеет более высокую скоростьконвергенции, чем RIP. Дополнительно OSPF уменьшает количество широковещательных передач, вырабатываемых протоколом маршрутизации, так как при возникновении изменений в конфигурации в сети другим маршрутизаторам посылаются только обновления, в отличие от RIP, который периодически передает всю таблицу маршрутизации.

Rip версии 2 сравним с OSPF по возможностям и определенно является более предпочтительной альтернативой для небольших сетей, которые не имеют серьезных проблем с трафиком. Однако в интерсетях, которые сильно зависят от соединений глобальной сети или содержат множество маршрутизаторов с большими таблицами маршрутизации, что вызывает значительный сетевой трафик, OSPF является более предпочтительным вариантом.

Коммутация

Коммутаторы - устройств канального уровня. В современных сетях они почти совершенно вытеснили мосты и частично маршрутизаторы. Коммутатор (switch) - это корпус со множеством гнезд для кабелей, который внешне похож на концентратор. Более того, некоторые производители выпускают концентраторы и комму­ таторы, различающиеся лишь маркировкой. Но это совершенно разные устройства: концентратор передает каждый входящий пакет через все порты, а коммутатор направляет его только на порт, обеспе­чивающий доступ к целевой системе (рис. 3.4).

Поскольку коммутатор направляет данные только на один порт, он, по сути, преобразует ЛВС с общей сетевой средой в ЛВС с выде­ ленной (dedicated) средой. В небольшой сети с коммутатором вместо концентратора каждый пакет следует от компьютера-источника к компьютеру-получателю по выделенному пути, который является коллизионным доменом для этих двух компьютеров.

Такой коммута­тор иногда называют коммутирующим концентратором (switching hub). Широковещательные сообщения коммутаторы передают на все свои порты, но к узковещательным и многоадресным сообщениям это не относится. Ни один компьютер не получает пакеты, которые ему не предназначены. В процессе узковещательной передачи коллизии никогда не возникают, так как любая пара компьютеров в сети обме­нивается данными по выделенному кабелю. Иными словами, если мост просто разгружает сеть, то коммутатор практически полностью устраняет в ней лишний трафик.

Другое преимущество коммутации в том, что любая пара компьютеров пользуется всей полосой пропускания сети. Стандартная сеть Ethernet с концентратором может состоять из 20 или более компьютеров, совместно использующих полосу пропускания 10 Мбит/сек. Замените концентратор на коммутатор, и каждая пара компьютеров получит собственный выделенный канал со скоростью передачи 10 Мбит/сек. Это может существенно повысить общую производительность сети без модернизации рабочих станций. Кроме того, некото­рые коммутаторы снабжены портами, работающими в полнодуплек­сном режиме, т. е. два компьютера могут передавать данные в обоих направлениях одновременно, используя отдельные пары проводов в сетевом кабеле. Работа в полнодуплексном режиме может увеличить пропускную способность сети с 10 Мбит/сек до 20 Мбит/сек.

Примечание: Коммутаторы, как правило, дороже концентраторов и дешевле маршрутизаторов. Как и концентраторы, по размерам коммутаторы варьируются от небольших блоков до моделей, смонтированных в отдельных стойках.

Установка коммутаторов

В небольших сетях, как правило, вместо коммутатора можно исполь­ зовать концентратор. Чаще коммутаторы применяют в крупных интерсетях вместо мостов или маршрутизаторов. Если в обычной корпоративной сети, состоящей из магистрали и нескольких сегментов, заменить маршрутизаторы коммутаторами, эффект будет поразитель­ный. В сети с маршрутизатором магистраль переносит межсетевой трафик, сгенерированный всеми сегментами. Это приводит к тому, что она всегда работает в условиях высокого трафика. В коммутируемой сети компьютеры подсоединены к отдельным коммутаторам рабочих групп, которые в свою очередь связаны с высокопроизводительным коммутатором магистрали (рис. 3.5). В результате любой компьютер сети может соединиться по выделенному каналу с любым другим компьютером, даже если данные проходят через несколько коммутаторов.

Существует много вариантов использования коммутаторов в сложных интерсетях; менять сразу все концентраторы и маршрутизаторы на коммутаторы не придется. Например, можно продолжать пользоваться обычными сетевыми концентраторами, но подключить их не к маршрутизатору, а к многопортовому коммутатору. От этого эффек­ тивность межсетевого трафика возрастет. С другой стороны, если в Вашей сети большой объем трафика генерируется внутри отдельных ЛВС, а не между ними, можно, не затрагивая магистраль, заменить коммутаторами концентраторы рабочих станций, увеличив тем самым доступную каждому компьютеру полосу пропускания.

Проблема больших интерсетей, связанная с заменой всех мар­ шрутизаторов на коммутаторы, состоит в том, что в результате вместо нескольких небольших широковещательных доменов Вы получаете один, но очень большой (о коллизионных доменах Вам беспокоиться не придется, потому что коллизий будет гораздо меньше). Любое широковещательное сообщение, сгенерированное одним компьютером, коммутаторы передают всем остальным компьютерам сети, увеличивая тем самым количество лишних пакетов, обрабатываемых каждой системой. Существует несколько технологий для решения этой проблемы.

Виртуальные ЛВС (ВЛВС) позволяют выделять в коммутируемой сети подсети, существующие только внутри коммутаторов. Адреса систем, входящих в данную подсеть, задаются сетевым администратором; физическая сеть остается коммутируемой. Системы подсети могут находиться где угодно, поскольку подсеть виртуальна и не зависит от физического расположения компьютеров. Когда компьютер, включенный в подсеть, передает широковещательное сообщение, оно передается только компьютерам данной подсети. Связь между подсетями может осуществляться с помощью маршрутизатора или коммутатора, но внутри ВЛВС трафик может быть только коммутируемым.

Уровень коммутации 3 - это вариант ВЛВС, минимизирующий объем маршрутизации между виртуальными сетями. Когда требуется установить связь между системами в разных ВЛВС, маршру­тизатор устанавливает соединение между системами, а затем управление берут на себя коммутаторы. Маршрутизация осуществляется только тогда, когда она действительно необходима.

Типы коммутаторов

Существует два основных типа коммутаторов: сквозные (cut- through) и с промежуточной буферизацией (store-and-forward). Сквозной коммутатор передает пакеты через соответствующий порт без дополнительной обработки, немедленно, как только они получены, считывая адрес целевой системы в заголовке протокола канального уровня. Коммутатор начинает передачу пакета, даже не дожидаясь завершения его приема. Как правило, в сквозных коммутаторах используется аппаратный компонент, состоящий из набора схем ввода- вывода, который позволяет данным поступать в коммутатор и покидать его через любой порт. Такие коммутаторы называются еще матричными (matrix) или координатными (crossbar). Они относительно недороги и сводят к минимуму так называемое время ожидания (latency), т. е. время, затрачиваемое коммутатором на обработку пакетов.

Коммутатор с промежуточной буферизацией дожидается завершения приема пакета и лишь потом отправляет его по назначению. Различают коммутаторы с общей памятью (shared-memory switch), т. е. с общим буфером для хранения данных всех портов, и коммутаторы с шиной (bus architecture switch) - с отдельными буферами для каждого порта, соединенными шиной. Пока пакет хранится в буферах, коммутатор пользуется этой возможностью, чтобы проверить данные, вычислив их код CRC. Кроме того, коммутатор отслеживает появление других проблем, присущих конкретному протоколу канального уровня, которые приводят к формированию дефектных кадров, на сленге именуемых коротышками (runt), гигантами (giant) и тарабар­ щиной (jabber). Эта проверка, естественно, увеличивает время ожида­ния, а дополнительные функции повышают стоимость коммутаторов с промежуточным хранением по сравнению со сквозными.

Маршрутизация

Маршрутизатором (router) называется устройство, связывающее вместе две сети, формируя из них интерсеть. В отличие от мостов и коммутаторов, маршрутизаторы функционируют на сетевом уровне эта­лонной модели OSI. Это означает, что маршрутизатор может связывать ЛВС, которые работают с разными протоколами канального уровня (например, Ethernet и Token Ring), при условии, что все они используют один и тот же протокол сетевого уровня. Самым популярным в наши дни является набор протоколов TCP/IP, на сетевом уровне которого действует протокол IP. Таким образом, большая часть информации, которую Вы будете узнавать о маршрутизаторах, будет относиться к протоколу IP.

Когда компьютеру в одной ЛВС нужно передать данные компьютеру в другой ЛВС, он посылает пакеты маршрутизатору в своей локальной сети, а маршрутизатор направляет их в целевую сеть. Если система-получатель находится в удаленной сети, маршрутизатору приходится пересылать пакеты другому маршрутизатору. В больших интерсетях, подобных Интернету, пакетам на пути к целевому компьютеру приходится проходить через множество маршрутизаторов.

Поскольку маршрутизаторы работают на сетевом уровне, они не связаны ограничениями протоколов канального уровня. Пакет, поступающий в маршрутизатор, продвигается по стеку протоколов к сетевому уровню, причем по ходу дела кадр канального уровня отсекается. Маршрушзатор определяет, куда нужно отправить пакет, и передает данньк вниз по стеку другому сетевому интерфейсу, который для отправки инкапсулирует их в новый кадр. Если два протокола канального уровня поддерживают пакеты разных размеров, мар­ шрутизатору, возможно, придется фрагментировать данные сетевого уровня и создавать из них несколько кадров.

Маршрутизация пакетов

В отношении пакетов, пересылаемых другим портам, маршрутизато­ры более избирательны, чем концентраторы, мосты и коммутаторы. Работая на границах ЛВС, они не передают широковещательные сообщения за исключением некоторых специальных случаев. Маршру­тизатор осуществляет передачу пакетов, руководствуясь не аппаратным адресом в заголовке канального уровня, а адресом оконечной целевой системы в заголовке протокола сетевого уровня. Информация о смежных с маршрутизатором сетях содержится в его внутренней таблице маршрутизации (routing table). По этой таблице маршру­тизатор определяет, куда направить очередной пакет. Если пакет предназначен для системы в одной из сетей, к которым подключен маршрутизатор, он передает пакет непосредственно этой системе. Если пакет предназначен системе в удаленной сети, маршрутизатор через одну из смежных сетей передает пакет другому маршрутизатору.

Рассмотрим в качестве примера корпоративную интерсеть, состоящую из магистрали и нескольких сегментов, подключенных к ней с помощью маршрутизаторов (рис. 3.6). Компьютеры каждого сегмента используют в качестве шлюза по умолчанию маршрутизатор, связывающий этот сегмент с магистралью. Все пакеты, генерируемые в локальной сети, передаются либо одной из систем этой же сети, либо шлюзу по умолчанию. Маршрутизатор-шлюз удаляет из каждого па­кета кадр канального уровня и считывает из заголовка сетевого уров­ня адрес оконечной целевой системы.

По своей таблице маршрутизации шлюз определяет, через какой маршрутизатор он может получить доступ к сети, в которой находится око­ нечная система. Адрес этого маршрутизатора указывается в качестве целевого адреса канального уровня в новом кадре, который шлюз создает для пакета с помощью протокола канального уровня магистрали (он может отличаться от протокола, используемого в сегменте). Затем пакет достигает следующего маршрутизатора, и процесс повторяется. Когда очередной маршрутизатор находит по своей таблице, что целевая система находится в сегменте, с которым он соединен, маршрутизатор создает кадр для передачи пакета непосредственно этой системе.

Если пакету на пути к конечному пункту приходится проходить через множество сетей (рис. 3.7), каждый обрабатывающий его маршрутизатор называют транзитом (hop). Маршрутизаторы часто оценивают эффективность маршрута по числу транзитов от исходной до целевой системы. Одна из основных функций маршрутизатора - выбор наилучшего маршрута по данным из таблицы маршрутизации.

Помимо объединения в интерсеть нескольких ЛВС в пределах одного здания, маршрутизаторы способны также соединять удаленные сети. Организации, состоящие из нескольких филиалов, часто соединяют локальные сети в этих филиалах, устанавливая в каждой сети маршрутизатор и соединяя эти маршрутизаторы с помощью выделенных телефонных линий или других технологий ГВС, например, транс­ ляции кадров (Frame Relay). Поскольку во всех филиалах широкове­щательный домен ограничен локальной сетью, по линиям ГВС пере­даются лишь пакеты, предназначенные для систем в других сетях. Объем трафика по каналам ГВС сведен к минимуму, а значит, минимальна и их стоимость.

Таблицы маршрутизации

Таблица маршрутизации - это сердце маршрутизатора. Без нее маршрутизатор не узнает, куда пересылать получаемые пакеты. Возникает вопрос, откуда она берется? В отличие от мостов и коммутаторов, маршрутизаторы не умеют составлять таблицы маршрутизации на основе информации из обрабатываемых ими пакетов. Это связано с тем, что для заполнения таблицы маршрутизации нужны подробнос­ти, которых в пакетах нет, а также с тем, что таблица необходима мар­шрутизатору для обработки первых же полученных им пакетов. Мар­шрутизатор, в отличие от моста, во все возможные пункты назначе­ния пакеты не пересылает.

Таблицы маршрутизации создаются вручную или автоматически. Первый способ создания таблицы называется статической маршру­ тизацией (static routing). Сетевой администратор решает, что следует делать маршрутизатору при получении пакетов, адресованных систе­мам в конкретной сети, и вводит необходимые данные в таблицу. Этим еще можно заниматься в относительно небольшой сети с несколькими маршрутизаторами, но в большой сети конфигурирование таблиц вручную становится неподъемной задачей. Кроме того, мар­шрутизаторы не могут автоматически корректировать таблицы при изменении структуры сети.

При динамической маршрутизации (dynamic routing) маршрутиза­торы с помощью специализированных протоколов маршрутизации обмениваются информацией друг о друге и сетях, к которым они под­ ключены. Когда все маршрутизаторы в интерсети обменяются друг с другом таблицами, у каждого из них будет информация не только о своей собственной, но и о более удаленных сетях.

Протоколов маршрутизации существует множество, особенно в Интернете, где маршрутизация является одним из самых сложных и жизненно важных компонентов инфраструктуры. Динамическая мар­ шрутизация не требует прямого участия системных администраторов, не считая установки и запуска протоколов маршрутизации, а также обеспечивает автоматическое обновление содержимого таблиц при изменениях в сети. Допустим, один из маршрутизаторов вышел из строя. Через некоторое время все маршрутизаторы, которые обычно связывались с ним, удалят неисправный маршрутизатор из своих таблиц, передадут информацию о нем другим маршрутизаторам, и вскоре вся сеть прекратит попытки воспользоваться неисправным маршрутом. Когда маршрутизатор «вернется в строй», другие маршрути­заторы снова включат его в свои таблицы.

В задачу маршрутизатора входит также выбор для каждого пакета наилучшего маршрута до места назначения. В сравнительно небольших интерсетях (рис. 3.6) к конкретной системе есть только один возможный маршрут. Однако в более сложных сетях администраторы часто устанавливают несколько маршрутизаторов, чтобы в случае неисправности одного из них пакеты добрались до цели другим путем. В таблицу маршрутизации включаются все возможные маршруты к данной системе, причем каждый из них характеризуется величиной мет­ рики (metric), определяющей относительную эффективность данного маршрута. Смысл метрики зависит от протокола маршрутизации, который ее генерирует. Иногда это просто число транзитов между мар­ шрутизатором и целевой системой. В других случаях метрика вычисляется сложнее.

В телекоммуникационных системах различают несколько видов передачи информации - выделенный канал (рассмотренные нами ранее, поэтому на них останавливаться не будем), коммутация пакетов , коммутация сообщений , коммутация пакетов сообщений .

Коммутируемой транспортной сетью называется сеть, в которой между двумя (или более) конечными пунктами устанавливается связь по запросу. Существуют следующие методы коммутации : коммутация цепей (каналов); коммутация с промежуточным хранением, которая разделяется на коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.

Давайте представим себе железнодорожную компанию «ЖелДорБанкрот», которая формирует отправляемые составы исходя из числа пассажиров, купивших билет на рейс. Вместо того, чтобы проанализировать пассажиропоток и загруженность железнодорожной сети, компания всякий раз отправляет избыточное число вагонов. Это и экономические потери и крайне не эффективное использование путей. Примерно по этой же схеме работает метод коммутации сообщений .

Технология коммутации сообщений относится к технологии типа "запомнить и послать". Кроме того, технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение "главный - подчиненный" . Все операции по хранению и пересылке сообщений фактически выполняются в центре коммутации сообщения (ЦКС), представляющей собой коммуникационную ЭВМ. Именно эта ЭВМ управляет входящими и выходящими потоками сообщений, учитывает уровни приоритетов поступающих сообщений. Естественно, высокоприоритетные задачи задерживаются в ЦКС значительно меньше тех, что имеют более низкий приоритет.

ПРИМЕЧАНИЕ

Коммутация сообщения преобладала над другими видами передачи сравнительно давно, порядка 40 лет назад. До сих пор она широко используется при передаче электронной почты, рассылках новостей, телеконференциях.

При коммутации сообщений каждое сообщение в процессе передачи от источника к приемнику, проходя соответствующие ЦКС, сохраняет свою целостность, являясь единичным объектом передачи. Это означает, что какова бы не была длина сообщения, передается оно целиком . Важно отметить, что транзитный узел не может начинать дальнейшую передачу части сообщения, если оно еще принимается. Это существенным образом снижает производительность ресурсов вычислительной сети, что экономически не целесообразно.

Прежде чем переходить к недостаткам метода вспомним «ЖелДорБанкрот», которая крайне не эффективно использовала свои возможности. Также как и вышеупомянутая компания метод коммутации сообщений обладает рядом узких мест, к которым можно отнести:

для успешной передачи сообщений, длина которых заранее не известна, требуется наличие в узлах передачи буферных запоминающих устройств большого размера;

существенные ограничения по организации работы в оперативном режиме (режиме реального времени);

коммуникационные возможности коммутатора сообщений и его пропускная способность могут ограничивать число сообщений, передаваемых в единицу времени;

использование соединения типа «главный-подчиненный» ненадежно, т.к. при выходе из строя коммутатора сеть перестает работать;

каналы передачи данных используются менее эффективно по сравнению с другими методами коммутации с промежуточным хранением .

Начав с недостатков, мы обязательно должны указать преимущества метода коммутации сообщений:

не требуется заблаговременно устанавливать канал связи между абонентами;

можно организовать системы обслуживания запросов с учетом их приоритетов;

существует возможность сглаживания пиковых нагрузок, т.к. низкоприоритетные задачи могут запоминаться в ЦКС и отправляться после спада основной нагрузки;

отсутствуют потери запросов на обслуживание.

Когда используется коммутация пакетов , данные (сообщения), которые необходимо передать разбиваются на короткие пакеты , имеющие фиксированную длину. Каждый пакет снабжается дополнительной информацией в соответствии с протоколом, используемым для его передачи (см. п. 5.6). Пакеты, принадлежащие одному и тому же пользовательскому сообщению, как правило, передаются по различным маршрутам в составе дейтаграмм . Управление передачей и обработкой пакетов в узлах связи осуществляется центрами коммутации пакетов (ЦКП). Пакеты в ЦКП долго не хранятся, а значит, доставляются получателю с минимально возможными задержками, где из них восстанавливается исходное сообщение.

В отличие от коммутации сообщений технология коммутации пакетов позволяет осуществлять :

менее затратное подключение к коммутаторам дополнительных линий связи;

маршрутизацию в обход поврежденных или занятых узлов связи, это увеличивает скорость работы и надежность передачи информации, а также повышает эффективность использования сетевых ресурсов.

Для увеличения производительности телекоммуникационных систем используется мультиплексирование с помощью разделения времени , когда один канал эксплуатируется несколькими пользователями одновременно. Мультиплексирование порта и канала называют виртуальным каналом . В настоящее время коммутация пакетов является основной для передачи данных.

При коммутации цепей (каналов) связь между абонентами устанавливается заблаговременно и на протяжении всего сеанса передачи, данные проходят по каналу с постоянной полосой пропускания в режиме реального времени. Канал связи формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение сигнала вызова обеспечивается с помощью последовательного включения нескольких коммутационных устройств, размещаемых в центрах коммутации каналов (ЦКК). Коммутационное устройство резервирует за собой физическое соединение между одним входящим и одним исходящим каналами. Часто бывает так, что при попытке установить канал связи, вызываемая сторона (или хотя бы одно из коммутационных устройств в цепочке прохождения сигнала вызова) занята. В этом случае сигнал вызова блокируется, а вызывающий абонент через некоторое время должен его повторить. Из-за этого время установления соединения может существенно возрастать .

После того как соединение установлено, ЦКК выполняет минимальный набор сервисных функций по поддержанию соединения и организации временных каналов. В качестве недостатков метода коммутации цепей можно указать следующие:

Преимущества метода коммутации цепей:

работа в режиме реального времени;

широкая область применения (главным образом передача акустических сигналов).

Теперь мы вплотную подошли к проблеме выбора оптимального маршрута доставки информации от отправителя к получателю. Этот процесс называется маршрутизацией , а выбор маршрута производится в соответствии с используемым алгоритмом маршрутизации .

ПРИМЕЧАНИЕ

Если говорить о сетях, то в подсети, использующей дейтаграммную службу выбор маршрута для каждого пакета должен производиться заново, т.к. оптимальный маршрут мог измениться. Если используются виртуальные каналы, маршрут выбирается только при создании нового виртуального канала .

Основную цель маршрутизации можно определить следующим образом - доставка пакета получателю за минимально возможное время, при сохранении требуемой пропускной способности и минимальных потерях информации. Здесь приходится учитывать и топологию сети и то, что маршрутизаторы (коммуникационные устройства, осуществляющие пересылку и маршрутизацию), а также линии связи могут выйти из строя.

В отечественной литературе, например, в выделяют три способа маршрутизации: централизованная маршрутизация (выбор маршрута для каждого пакета осуществляется в центре управления сетью, что чревато отказом всей сети при выходе из строя центрального узла); распределенная маршрутизация (функции управления маршрутизацией распределены между узлами сети, а значит, обеспечивается большая гибкость); смешанная маршрутизация сочетает принципы централизованной и распределенной маршрутизации.

Почему вопросами создания алгоритмов маршрутизации до сих пор занимается огромное количество ученых и инженеров, несмотря на то, что технология с успехом работает много лет? Ответ предельно просто и заключается в следующем - мы не знаем как будет изменяться нагрузка в сети в следующий момент времени. Хотя крайне важными параметрами остаются топология сети и ее изменение (в результате отказов узлов и линий связи, а также при подключении новых), а также различная пропускная способность участков сети. Но оба эти параметра можно определить и передать маршрутизаторам. А значит, во всех случаях алгоритмы маршрутизации выполняются в условиях неопределенности текущего и будущего состояний телекоммуникационной системы .

Рассмотрим несколько наиболее известных и широко применяемых алгоритмов маршрутизации. Сначала давайте проведем черту между существующими алгоритмами. Они разделяются на два больших класса: адаптивные и неадаптивные . Вместо того чтобы учитывать топологию сети и изменение ее состояния, а также измерять текущий трафик неадаптивные алгоритмы выбирают маршруты заранее. Полученный список маршрутов загружается в маршрутизаторы на этапе загрузке сети. Эта процедура называется статической маршрутизацией . Адаптивные алгоритмы напротив охотно пользуются всеми параметрами, которые можно измерить.

Вне зависимости от топологии сети и интенсивности трафика все алгоритмы маршрутизации базируются на принципе оптимальности и концепции кратчайшего пути . В соответствии с принципом оптимальности , если маршрутизатор B располагается на оптимальном маршруте от маршрутизатора A к маршрутизатору C , то оптимальный маршрут от маршрутизатора B к маршрутизатору C совпадает с частью первого маршрута .

ПРИМЕЧАНИЕ

Концепция кратчайшего пути, чаще всего поясняется на графах, где каждый узел сети - вершина графа, а дуга - линия связи. В этом случае для поиска кратчайшего пути на графах используется, например, алгоритм Дейкстры.

Наиболее простой статический алгоритм маршрутизации - заливка . Здесь можно провести аналогию с методом полного перебора из методов оптимизации и поиска экстремума функции. Суть заливки заключается в том, что каждый пришедший пакет посылается на все исходящие линии, кроме той, по которой он поступил. Это порождает бесконечное число дублированных пакетов. Для ограничения количества тиражируемых пакетов используются счетчики, которые помещаются в заголовок пакета и уменьшаются при прохождении каждого маршрутизатора. Если счетчик обнуляется, то такой пакет удаляется. Кроме данного метода применяются еще ряд вариаций на тему счетчиков и помещения в заголовки номера пройденного узла.

Однако на практике применяется выборочная заливка . Отличие его состоит в том, что пакеты посылаются не на все исходящие линии, а только на те, которые идут в приблизительно правильном направлении. Такой «громоздкий» алгоритм может подойти военным, где вероятность потери части сети из-за боевых действий велика, а также для тестирования других алгоритмов. Напомним, что также как и метод полного перебора, заливка рано или поздно найдет оптимальный маршрут.

На практике, современные системы телекоммуникаций применяю не статические, а динамические алгоритмы маршрутизации.