Дополнение к теме сеть ЭВМ

Данные, передаваемые по сети, представляются в виде пакетов, форма которых определяется уровнем протокола взаимодействия компонентов сети. При передаче IP-пакетов используется межсетевой протокол IP. Для IP-пакетов, представляющих данные на сетевом уровне, требуется выполнить преобразование IP-адреса, заданного в IP-пакете, в аппаратный адрес с целью формирования канального пакета для представления данных на канальном уровне. Заголовки сетевого пакета, называемого IP-пакетом, и канального пакета, называемого канальным кадром, создаются в момент отправки пакета.

Преобразование адресов осуществляется с помощью специальной ARP-таблицы, которая хранится в памяти и состоит из строк, содержащих описание соответствия между IP-адресом (четыре байта для представления) и аппаратным адресом (шесть байт для представления) для каждого узла сети. Для представления IP-адреса используются четыре десятичных числа, разделенные точками, например, 223.1.2.1. Первые три числа 223.1.2 определяют номер IP-сети, а оставшееся число1 определяет номер узла или точку доступа к сетевому интерфейсу. Для представления аппаратного адреса локальной сети используются шесть шестнадцатеричных чисел, разделяемых двоеточиями, например, 08:00:39:00:2F:C3. Аппаратный адрес назначает производитель интерфейсной карты, а IP-адрес назначается с учетом положения рабочей станции (ЭВМ) в сети. Существует пять классов IP-адресов (A, B, C, D, E). Класс адреса определяется диапазоном значений, задаваемых с помощью первого байта в IP-адресе.

Для автоматического заполнения ARP_таблицы используется программный модуль ARP. Если в текущий момент не возможно по таблице выявить соответствие между IP-адресом, запрошенным в прикладной программе, и соответствующим аппаратным адресом, то с помощью программного модуля ARP выполняется обновление ARP_таблицы следующим образом. Во-первых, по сети передается широковещательный ARP-пакет запроса, в котором содержится IP-адрес, запрашиваемый в прикладной программе. Во-вторых, IP-пакет с данными исходящими (отправляемыми) от прикладной программы, ставится в очередь на время, пока ожидается ARP-пакет ответа для обновления ARP-таблицы.

Каждый сетевой адаптер (сетевая карта) принимает широковещательный ARP-пакет и каждый соответствующий драйвер проверяет соответствующее поле (типа) в принятом канальном кадре, передавая ARP-пакет запроса модулю ARP. В начале запроса указываются IP-адрес отправителя, например, 223.1.2.1 и соответствующий аппаратный адрес отправителя, например, 08:00:39:00:2F:C3. Затем в запросе указывается искомый IP-адрес, например, 223.1.2.2, а поле, соответствующее искомому аппаратному адресу, задается пустое, чтобы получить значение этого адреса от какой-либо рабочей станции (узла сети), получившей запрос. Модуль ARP каждой рабочей станции, получившей запрос по сети, проверяет в ARP-пакете запроса поле искомого IP-адреса и при совпадении этого адреса с IP-адресом данной рабочей станции посылает ARP-пакет ответа по аппаратному адресу отправителя запроса. В начале ARP-пакета ответа указываются IP-адрес отправителя, например, 223.1.2.2 и соответствующий аппаратный адрес, например, 08:00:28:00:38:A9. Для поиска этого аппаратного адреса формировался запрос. После IP-адреса отправителя в ответе указывается искомый IP-адрес, например, 223.1.2.1 и соответствующий искомый аппаратный адрес, например, 08:00:39:00:2F:C3.

Ответ приходит в ЭВМ, сделавшую запрос, и ее драйвер проверяет поле типа в принятом канальном кадре и передает ARP-пакет ответа модулю ARP для анализа и добавления соответствующей записи в ARP-таблицу. Новая запись в таблице появляется через несколько миллисекунд после того, как она потребовалась, а исходящий пакет был поставлен в очередь. После обновления ARP-таблицы выполняется преобразование IP-адреса в аппаратный адрес, создается заголовок соответствующего канального пакета, и канальный кадр данных передается по сети. Если в сети не обнаружена ЭВМ (она может быть повреждена) с искомым IP-адресом, то ARP_пакет ответа не появится и обновления ARP-таблицы не произойдет. Тогда программный модуль IP стека протоколов уничтожит IP-пакет, в котором указан данный IP-адрес.

Для анализа правил маршрутизации, используемых в межсетевом протоколе IP, рассмотрим сеть из трех подсетей, представленную на следующем рисунке.

На рисунке, изображенном выше, буквами обозначены узлы сети (рабочие станции). Шлюз D соединяет три подсети и имеет три IP-адреса и три аппаратных адреса. В ЭВМ D в качестве программных модулей, обеспечивающих обработку сетевых пакетов, используются один модуль IP, один модуль ARP и три сетевых драйвера Enet. Взаимосвязь перечисленных модулей отображена на рисунке, изображенном ниже.

Если взаимодействующие узлы сети принадлежат к одной подсети, то способ доставки передаваемых между узлами пакетов называется прямой маршрутизацией. Например, при передаче IP-пакета из узла A в узел B используется прямая маршрутизация. В заголовке посланного IP-пакета поле адреса отправителя содержит IP-адрес узла A, а поле адреса получателя содержит IP-адрес узла B. Дальнейшая детализация посланного IP-пакета предусматривает преобразование IP-адреса в физический адрес и формирование канального кадра, передаваемого из узла A в узел B.

В заголовке канального кадра поле адреса отправителя содержит аппаратный адрес узла A, а поле адреса получателя содержит аппаратный адрес узла B. Пакет, поступивший в узел B, с помощью драйвера освобождается от канального заголовка и передается с канального уровня на сетевой уровень. Когда в узле B программный модуль сетевого уровня IP получит IP-пакет, поступивший из узла A, то модуль сравнивает свой IP-адрес с адресом в поле назначения. При совпадении указанных адресов поступивший пакет передается протоколу более высокого уровня.

Прямая маршрутизация используется для передачи пакетов между узлами сети D и A. Прямое взаимодействие осуществляется между узлами E и D, а также между узлами D и H. Так как каждая указанная пара узлов принадлежит одной IP-подсети.

Если взаимодействующие узлы принадлежат разным IP-подсетям, то необходимо использовать шлюз D для ретрансляции IP-пакетов из одной подсети в другую подсеть. Такое взаимодействие узлов сети называют косвенным.

Например, при передаче IP-пакета из узла A сети в узел E используется косвенная маршрутизация. IP-адресом и аппаратным адресом отправителя является адрес A. IP-адресом получателя является адрес E, а аппаратным адресом получателя является адрес D, так как IP-пакет из узла A послан через шлюз D, который осуществляет ретрансляцию IP-пакета. Программный модуль IP в ЭВМ D получает IP-пакет и проверяет IP-адрес получателя. Так как этот адрес не совпадает с IP-адресом ЭВМ D, то шлюз D посылает пришедший IP-пакет к узлу E сети. После прохождения шлюза IP-пакет будет содержать в заголовке адрес отправителя A и адрес получателя E, а канальный кадр будет содержать в заголовке аппаратный адрес отправителя D и аппаратный адрес получателя E.

Реальные сети содержат несколько шлюзов и разнородные среды передачи данных на канальном уровне.

При передаче IP-пакета программный модуль IP определяет прямой или косвенный способ доставки передаваемого пакета и отыскивает в таблице маршрутов соответствующий сетевой интерфейс, изображенный на предыдущем рисунке в виде точки, соединяющей модуль IP с одним из экземпляров сетевого драйвера Enet.

Для принимаемого от какого-либо драйвера IP-пакета модуль IP определяет необходимость выполнения либо ретрансляции принятого IP-пакета в другую подсеть, либо передачи пакета на верхний уровень. Действия, выполняемые при ретрансляции аналогичны действиям, которые выполняются при отправлении IP-пакета. Принятый IP-пакет никогда не ретранслируется через тот же сетевой интерфейс, через который он был принят.

Для выбора с помощью программного модуля IP сетевого интерфейса, по которому должен быть отправлен IP-пакет, используется таблица маршрутов, формируемая менеджером сети. При поиске маршрута доставки пакета используется номер IP-сети, заданный в IP-пакете в поле адреса получателя. Для описания любого маршрута в таблице маршрутов отводится одна строка. Для изменения содержимого строк предназначена команда “route”.

Пусть имеется одна IP-сеть DORA следующего вида.

Тогда таблица маршрутов в узле alpha имеет следующий вид.

Сеть	Флаг вида маршрутизации	Шлюз	Номер интерфейса
Dora (223.1.2)	Прямая	Нет

Подобная таблица имеется в узле beta. Порядок действий, осуществляемых при прямой маршрутизации, следующий. В узле alpha формируется и посылается IP-пакет для узла beta с адресом назначения 223.1.2.2. Модуль IP узла alpha с помощью маски подсети выделяет номер сети из IP-адреса и отыскивает соответствующую ему строку в таблице маршрутов. В данном случае из таблицы следует, что используется прямая маршрутизация и связь осуществляется через интерфейс с номером 1. Программный модуль ARP с помощью своей таблицы выполняет преобразование IP-адреса в соответствующий аппаратный адрес и через интерфейс номер 1 сформированный кадр отсылается к узлу beta.

Если модуль IP не может отыскать соответствующую строку в таблице маршрутов, то он исключает IP-пакет из обработки и формирует сообщение о том, что сеть не доступна. То есть пользовательской программой отослан пакет по адресу, не принадлежащему сети Dora.

Пусть имеется следующего вида IP-сеть, в состав которой входят три подсети с именами DORA, MIRA, ERA.

Для объединения подсетей используется шлюз Delta. Таблица маршрутов в узле alpha имеет следующий вид.

Сеть	Флаг вида маршрутизации	Шлюз	Номер интерфейса
Dora (223.1.2)	Прямая	Нет
Mira (223.1.3)	Косвенная	Delta (223.1.2.4)
Era (223.1.4)	Косвенная	Delta (223.1.2.4)

Порядок действий, осуществляемых при косвенной маршрутизации следующий. Узел alpha посылает IP-пакет узлу Epsilon с IP-адресом назначения 223.1.3.2. Модуль IP выделяет сетевой номер 223.1.3 и отыскивает соответствующую (вторую) строку в таблице маршрутов. Запись в этой строке указывает на то, что узел Epsilon (ЭВМ) доступен через шлюз Delta и доступ осуществляется через интерфейс с номером 1. Программный модуль ARP в узле alpha с помощью своей таблицы выполняет преобразование IP-адреса узла Delta в соответствующий аппаратный адрес узла Delta. IP-пакет, содержащий IP-адрес места назначения Epsilon, из узла alpha отсылается через интерфейс с номером 1 шлюзу Delta.

В узле Delta IP-пакет принимается через сетевой интерфейс с номером 1 и передается программному модулю IP, который проверяет IP-адрес места назначения и так как IP-адрес не соответствует ни одному из собственных IP-адресов узла Delta, то шлюзу необходимо ретранслировать принятый IP-пакет. Модуль IP в узле Delta выделяет сетевой номер из IP-адреса места назначения IP-пакета (223.1.3) и отыскивает соответствующую строку в следующей таблице маршрутов узла Delta.

Сеть	Флаг вида маршрутизации	Шлюз	Номер интерфейса
Dora (223.1.2)	Прямая	Нет
Mira (223.1.3)	Прямая	Нет
Era (223.1.4)	Прямая	Нет

Модуль IP узла Delta в таблице маршрутов отыскивает вторую строку, в соответствие с которой напрямую посылает IP-пакет узлу Epsilon через интерфейс с номером 3. Пакет содержит IP-адрес и аппаратный адрес места назначения, которым является узел Epsilon (223.1.2.2).

Узел Epsilon принимает IP-пакет и модуль IP этого узла проверяет IP-адрес места назначения пакета. Указанный адрес соответствует IP-адресу Epsilon поэтому содержимое IP-пакета передается протокольному программному модулю верхнего уровня.

Формирование исходных значений таблиц маршрутов осуществляется при запуске системы с помощью специальных команд, которые помещаются в стартовом файле. В процессе функционирования сети в таблицы маршрутов можно добавлять новые строки с помощью так называемых сообщений (смотри протокол ICMP).

Такие добавления позволяют устанавливать более выгодные маршруты (осуществляется перенаправление). Некоторые маршруты в процессе работы могут разрушаться из-за неработоспособности шлюза. При выявлении неработоспособности шлюза предусмотрена возможность исключения соответствующей строки из таблицы маршрутов. Динамическое изменение таблиц маршрутов позволяет создавать выгодные маршруты.

Таблица маршрутов может быть исходно задана с помощью стартового файла, содержащего, например, следующие команды.

Ifconfig ie0 128.6.4.1 netmask 255.255.255.0

Route add 128.6.2.0 128.6.4.1 1 (добавление к сети шлюза, 1 – метрика)

Route add default 128.6.4.27 1

Используемая в командах метрика задает расстояние до IP-сети. Расстояние представляется количеством шлюзов на пути между двумя IP-сетями. Для доступа к IP-сети 128.6.2 должен использоваться шлюз 128.6.4.1. В соответствие с командами приведенного выше стартового файла в таблице маршрутов будут сформированы следующие строки.

Сеть	Флаг вида маршрутизации	Шлюз	Номер интерфейса
128.6.4	Прямая	Нет
128.6.2	Косвенная	128.6.4.1
default	Косвенная	128.6.4.27

Последняя строка таблицы определяет маршрут по умолчанию, используемый в том случае, если в таблице маршрутов отсутствует сетевой номер из IP-адреса места назначения передаваемого IP-пакета. Маршрут по умолчанию указывает IP-адрес шлюза, который имеет информацию для маршрутизации IP-пакетов со всеми возможными адресами назначения.

Если IP-сеть имеет один шлюз, то в таблице маршрутов устанавливается одна запись, указывающая этот шлюз в качестве маршрута по умолчанию. При наличии в сети нескольких шлюзов могут быть использованы несколько маршрутов, среди которых существует более выгодный. Если для такой сети таблица маршрутов имеет только одну запись, указывающую какой-либо шлюз в качестве маршрута по умолчанию (адрес одного шлюза), то можно использовать другие шлюзы для указания выгодных маршрутов. Эти “другие” шлюзы должны послать сообщение перенаправления в том случае, если они получат IP-пакет, доставка которого возможна по более выгодному маршруту.

Сообщение перенаправления – это специальный тип сообщения (управляющее) протокола ICMP. Сообщение перенаправления содержит указание, которое предписывает для конкретного IP-адреса использование конкретного шлюза, а не шлюза по умолчанию. Сообщение перенаправления используется для добавления записей в таблицу маршрутов.

Например, пусть в начале работы таблица маршрутов имеет вид, заданный командами стартового файла (смотри выше) и пусть имеется шлюз 128.6.4.30, через который пролегает более выгодный путь доступа к IP-сети 128.6.7. Пусть необходимо переслать IP-пакеты по IP-адресу 128.6.7.23.

Первый IP-пакет пойдет на шлюз по умолчанию, так как это единственный маршрут в исходной таблице маршрутов. Однако шлюз 128.6.4.27 имеет информацию о том, что существует более выгодный маршрут, который проходит через шлюз 128.6.4.30. Тогда шлюз 128.6.4.27 после получения IP-пакета возвращает сообщение перенаправления, в котором имеется указание о том, что IP-пакеты для узла 128.6.7.23 должны пересылаться через шлюз 128.6.4.30. Программный модуль IP на ЭВМ, являющейся источником IP-пакета, должен добавить следующую запись в существующую таблицу маршрутов.

Сеть	Флаг вида маршрутизации	Шлюз	Номер интерфейса
128.6.7	Косвенная	128.6.4.30

После изменения таблицы маршрутов все последующие IP-пакеты для узла 128.6.7.23 будут посланы через указанный шлюз, то есть более выгодным путем.

Кроме возможности добавления записей в таблицу маршрутов необходимо уметь исключать строки из таблицы маршрутов, если шлюз оказывается неработоспособным. Если какой-либо маршрут оказывается разрушенным, то осуществляется возврат к маршруту по умолчанию. Неисправный шлюз не может послать сообщение перенаправления, поэтому за работоспособностью шлюза должна следить ЭВМ, связанная со шлюзом. Нарушение работоспособности сети (разрыв связи) определяется с помощью различных таймеров, имеющихся в программном модуле TCP. При обнаружении разрыва связи маршрут помечается как плохой, а соответствующая строка в таблице маршрутов исключается и тем самым осуществляется возврат к маршруту по умолчанию. Возможность динамического изменения таблицы маршрутов позволяет пересылать IP-пакеты по выгодным маршрутам.

Существует другой метод выбора более выгодного маршрута пересылки IP-пакетов. В другом методе корректировки таблицы маршрутов используется протокол ARP с представителем. Этот метод не предусматривает изменение таблицы маршрутов, так как основан на использовании аппаратных адресов. При этом методе необходимо настроить узел так, будто все другие ЭВМ подключены напрямую к подсети, содержащей данный узел. Для этой цели могут быть использованы следующая команда. Route add default 128.6.4.2 0, в которой задан IP-адрес настраиваемого узла и нулевая метрика.

Если требуется переслать IP-пакет из узла, то ЭВМ узла должна определить аппаратный адрес узла назначения с помощью ARP-таблицы, сформировать и отправить кадр. Если в ARP-таблице отсутствует соответствующая запись, то посылается широковещательный ARP-запрос. Узел с искомым IP-адресом назначения принимает запрос и в ARP-ответе сообщает свой аппаратный адрес.

Протокол ARP с представителем основан на том, что шлюзы работают как представители удаленных узлов. Например, пусть имеется следующая сеть.

Пусть из узла A в узел B пересылается IP-пакет. Две подсети, в которые входят соответственно узел A и узел B, объединены шлюзом R. Если в ARP-таблице узла A нет маршрута доступа к узлу B, то узел A посылает ARP-запрос узлу B. Конечно, узел B не может ответить, так как он находится в другой подсети и не воспримет ARP-запрос, но шлюз R может выполнить работу от имени узла B и сообщить аппаратный адрес шлюза, например, 02:07:01:00:EB: CD. Это создает иллюзию, будто узел B подключен к той же локальной сети (подсети), что и узел A и с тем же аппаратным адресом.

Когда из узла A возникает необходимость послать IP-пакет узлу B, то узел A использует указанный выше аппаратный адрес для формирования канального кадра и кадр попадает к шлюзу R, который осуществляет перенаправление пакета по назначению.

Этот метод упрощает работу по начальной установке таблицы маршрутов. При данном методе необходимо указать в команде установки маршрута по умолчанию нулевую метрику. Тогда при замене IP-адреса шлюза команду начальной установки менять не придется. Так как протокол ARP с представителем не требует явного задания IP-адреса шлюза и любой шлюз может ответить на ARP-запрос.

Дата добавления: 2015-07-10