Лекция: Мосты, шлюзы и маршрутизаторы

Само название мост подчеркивает, что объединяются различные стороны чего-либо, в нашем случае это компьютерные сети с различными протоколами физического и канального уровня. При этом предполагается, что на более высоких уровнях объединяемые сети используют одинаковые протоколы. Подобная ситуация наиболее характерна для локальных компьютерных сетей, при объединении которых в основном и используются мосты. В соответствии со стандартом IEEE 802.1D мост определяется как устройство, обеспечивающее взаимосвязь локальных сетей посредством трансляции кадров подуровня управления доступом к передающей среде одной локальной сети в другую, например, трансляции кадров между Ethernet и Token Ring.

Процесс трансляции заключается в преобразовании структуры кадров данных путем изменения их полей. В случае необходимости осуществляется разбиение или сборка пакетов. Это связано с различной длиной кадров в сетях разных стандартов.

Одним из характерных свойств мостов является их «прозрачность» относительно протоколов верхних уровней и сетевых операционных систем. Протоколы двух нижних уровней взаимодействуют через мост. Протоколы верхних уровней взаимодействуют непосредственно на уровне абонентских систем, тем самым обеспечивается «прозрачность» этих протоколов относительно мостов.

В процессе работы мост выполняет ряд функций, основными из которых являются:

· прием кадров из локальной сети;

· проверка состояния и удаление ошибочных кадров;

· преобразование параметров кадра;

· передача кадров в локальную сеть по новому адресу.

В процессе работы мост осуществляет избирательную трансляцию (фильтрацию) кадров из одной сети в другую. Трансляции подвергаются только кадры данных, адресованные абонентским системам других сетей. Тем самым осуществляется разделение информационных потоков в рамках объединенной компьютерной сети. Это свойство моста часто используется для снижения трафика в компьютерных сетях. Например, с помощью моста локальная сеть может быть поделена на два и более сегментов меньших размеров с соответствующим перераспределением сетевого трафика между ними.

Преимущества моста снижаются по мере того, как увеличивается число проходящих через него пакетов. В самом деле, интенсивный межсегментный трафик может значительно перегрузить мост, что приведет к задержкам в сети. Для предотвращения подобной ситуации следует ограничивать межсегментный трафик, например, путем оптимального разбиения сети на сегменты.

Для поддержания высокой надежности сети между ее абонентами должно существовать несколько физических путей. В то же время с целью исключения дублирования и изменения порядка поступления пакетов в каждый момент времени должен существовать только один маршрут между любыми двумя абонентскими системами. Другими словами, кроме физической конфигурации объединенной сети должна существовать и ее логическая конфигурация, называемая активной конфигурацией. Таким образом, в процессе работы мост должен осуществлять формирование и поддержку активной конфигурации, динамически изменяющейся и обеспечивающей единственный маршрут между любыми абонентскими системами сети. С этой целью стандартом IЕЕЕ 802.1 определен так называемый протокол остовного дерева (spanning tгее ргоtосо1). Протокол позволяет вводить резервные мосты, обеспечивая в то же время только один активный путь между любыми двумя узлами сети. В случае если активный путь или мост отказывает, протокол связного дерева автоматически активизирует новый путь через резервный мост.

Мост на основе внутренней таблицы адресов идентифицирует узлы в сети. Когда мост принимает пакет данных, он с помощью своей таблицы адресов определяет, на каком из подсоединенных сегментов сети находится абонентская система — адресат. Если таблица адресов показывает, что отправитель и адресат находятся на одном и том же (исходном) сегменте, то мост не передает пакет другим сегментам. Если же отправитель и адресат принадлежат разным сегментам, пакет передается через мост. При отсутствии соответствующего адреса в таблице маршрутов и нескольких путей передачи пакет данных посылается через все порты (исключая только порт, через который вошел кадр данных). В дальнейшем осуществляется процедура маршрутизации, с помощью которой корректируется таблица маршрутов. Адресная информация сохраняется на протяжении определенного времени, если по его истечении не появляется никаких пакетов данных из данной абонентской системы, то адрес удаляется. При следующей передаче с данной абонентской системы значение в таблице адресов восстанавливается. Кроме снижения нагрузки на компоненты сети использование мостов позволяет:

· наращивать локальную сеть, достигшую пределов своей конфигурации;

· повысить надежность за счет предоставления нескольких путей между абонентскими системами;

· обеспечить защиту сетей, которые он соединяет;

· согласовать передачу информации между локальными сетями с различной скоростью работы.

Как известно, локальные и глобальные сети отличаются не только протоколами двух нижних уровней, но и имеют существенные различия в структуре протоколов верхних уровней, начиная с сетевого. В связи с этим в устройстве, обеспечивающем подключение локальных сетей к глобальным, должны быть реализованы протоколы верхних уровней Эталонной модели взаимодействия открытых систем и, в первую очередь, транспортные протоколы. Устройство, обеспечивающее преобразование такого рода, получило название шлюз. Шлюз можно рассматривать как устройство преобразования сетевого протокола в межсетевой протокол и обратно.

При наличии нескольких шлюзов, удаленных друг от друга на значительные расстояния, формируется некоторая связующая сеть с единым межсетевым протоколом, называемая интерсетью. К этой сети могут подключаться различные глобальные и локальные сети, а также отдельные абоненты. Как правило, для построения инфраструктуры интерсети используются маршрутизаторы. Основное назначение маршрутизатора — выбор оптимального направления передачи информации. В отличие от моста, маршрутизатор имеет свой собственный адрес и используется в качестве промежуточного пункта передачи информации. Кроме того, маршрутизатор не осуществляет преобразования кадров данных из одной компьютерной сети в другую. Это определяет использование маршрутизатора, как правило, в рамках однородного участка компьютерной сети. Общим между мостом и маршрутизатором является то, что они оба осуществляют разделение информационных потоков, однако используют при этом различные механизмы. Как уже отмечалось, мост не является адресуемым элементом сети, он осуществляет селекцию кадров, то есть сам выбирает и транслирует информационные и управляющие кадры. Напротив, маршрутизатор является адресуемым элементом сети и выбирает только предназначенные ему кадры. Маршрутизаторы используются как в глобальных, так и в локальных сетях. При использовании маршрутизаторов в локальных сетях, взаимодействие осуществляется на подуровне управления логическим каналом. А при использовании маршрутизаторов в глобальных сетевых структурах сопряжение осуществляется на сетевом уровне.

В отличие от узла коммутации, маршрутизатор никогда не анализирует принятые пакеты, если только сам не является его конечным получателем.

Основные преимущества применения маршрутизаторов:

· реализуются функции фильтра для одного или нескольких сегментов сети, как бы воздвигается защитная стенка между ее различными сегментами;

· обеспечивается высокая гибкость для наиболее эффективного построения сети;

· появляется возможность регулирования схемы адресации сети;

· предотвращается проникновение в сеть пакетов с незнакомыми адресами и подключение к ней незарегистрированных устройств, тем самым обеспечивается дополнительная степень защиты сети.

Однако использование маршрутизаторов имеет и ряд недостатков, из которых следует отметить определенные трудности конфигурации, обслуживания и диагностирования, по сравнению с концентраторами и мостами.