Что делает маршрутизатор когда он получает кадр уровня 2 по среде передачи данных

Обновлено: 06.07.2024

Маршрутизатор принимает свое основное решение о передаче на Уровне 3, но как мы видели ранее, он участвует в процессах Уровня 1 и Уровня 2 также.

После того, как маршрутизатор исследовал целевой IP-адрес пакета и просмотрел свою таблицу маршрутизации, чтобы принять решение о передаче, он может передать этот пакет на соответствующий интерфейс к его месту назначения. Маршрутизатор инкапсулирует пакет IP Уровня 3 в часть данных фрейма канала передачи данных Уровня 2, подходящего для интерфейса выхода. Тип фрейма может быть Ethernet, HDLC или некоторая другая инкапсуляция Уровня 2 - смотря какая инкапсуляция используется на этом конкретном интерфейсе. Фрейм Уровня 2 кодируются в физический сигнал Уровня 1, которые используются, чтобы представить биты на физической связи.

Чтобы понять этот процесс лучше, обратитесь к рисунку. Заметьте, что PC1 работает на всех семи уровнях, инкапсулируя данные и передавая кадр как поток закодированных битов к R1, его шлюзу по умолчанию.

R1 получает поток закодированных битов на свой интерфейс. Биты декодируются и передаются на Уровень 2, где R1 декапсулирует фрейм. Маршрутизатор исследует адрес получателя фрейма канала передачи данных, чтобы определить, соответствует ли он интерфейсу получения, включая широковещательный или групповой адрес. Если есть соответствие в части данных фрейма, пакет IP передается на Уровень 3, где R1 делает свое решение по маршрутизации. R1 тогда повторно инкапсулирует пакет в новый фрейм канала передачи данных Уровня 2 и передает его на исходящий интерфейс как поток закодированных битов.

R2 получает поток битов, и процесс повторяется. R2 декапсулирует фрейм и передает порцию данных фрейма, пакет IP, к Уровню 3, где R2 делает свое решение по маршрутизации. R2 затем повторно инкапсулирует пакет в новый фрейм канала передачи данных Уровня 2 и передает его на исходящий интерфейс как поток закодированных битов.

Этот процесс повторяется еще раз маршрутизатором R3, который передает пакет IP, инкапсулированный во фрейме канала передачи данных, и закодированный в виде битов, к PC2.

Каждый маршрутизатор в маршруте от источника к месту назначения выполняет этот тот же самый процесс декапсуляции, осуществляя поиск в таблице маршрутизации, и затем повторной инкапсуляции. -->

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

маршрутизаторы ( routers );
модемы;
коммуникационные серверы.

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

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

В большинстве случаев соединение маршрутизатора локальной сети с сетью Интернет производится через сеть провайдера. Терминальное (оконечное) оборудование ( Data Terminal Equipment – DTE ), к которому относится и маршрутизатор , подсоединяется к глобальной сети (или к сети провайдера) через канальное коммуникационное оборудование ( Data Communications Equipment , или Data Circuit -Terminating Equipment , – DCE ). Маршрутизатор обычно является оборудованием пользователя, а оборудование DCE предоставляет провайдер . Услуги, предоставляемые провайдером для терминальных устройств DTE , доступны через модем или цифровое устройство согласования с каналом связи ( Channel Service Unit / Data Service Unit – CSU / DSU ), которые и являются оборудованием DCE ( рис. 6.2). Оборудование DCE является ведущим в паре DCE - DTE , оно обеспечивает синхронизацию и задает скорость передачи данных.

Поскольку маршрутизаторы в распределенных сетях ( рис. 6.1) часто соединяются последовательно, из двух последовательно соединенных серийных интерфейсов маршрутизаторов один должен выполнять роль устройства DCE , а второй – устройства DTE ( рис. 6.3).

Рис. 6.3. Последовательное соединение маршрутизаторов

Главными функциями маршрутизаторов являются:

выбор наилучшего пути для пакетов к адресату назначения;
продвижение ( коммутация ) принятого пакета с входного интерфейса на соответствующий выходной интерфейс.

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

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

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

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

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

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

Рис. 6.4. Элементы памяти и программы маршрутизатора

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

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

6.2. Принципы маршрутизации

Информационный поток данных, созданный на прикладном уровне, на транспортном уровне "нарезается" на сегменты, которые на сетевом уровне снабжаются заголовками и образуют пакеты (см. рис. 1.7, рис. 1.8). Заголовок пакета содержит сетевые IP-адреса узла назначения и узла источника. На основе этой информации средства сетевого уровня – маршрутизаторы осуществляют передачу пакетов между конечными узлами составной сети по определенному маршруту.

Маршрутизатор оценивает доступные пути к адресату назначения и выбирает наиболее рациональный маршрут на основе некоторого критерия – метрики. При оценке возможных путей маршрутизаторы используют информацию о топологии сети. Эта информация может быть сконфигурирована сетевым администратором или собрана в ходе динамического процесса обмена информацией между маршрутизаторами, который выполняется в сети протоколами маршрутизации.

Процесс прокладывания маршрута происходит последовательно от маршрутизатора к маршрутизатору. При прокладывании пути для пакета каждый маршрутизатор анализирует сетевую часть адреса узла назначения, заданного в заголовке поступившего пакета, т.е. вычленяет адрес сети назначения. Затем маршрутизатор обращается к таблице маршрутизации , в которой хранятся адреса всех доступных сетей, и определяет свой выходной интерфейс , на который необходимо передать (продвинуть) пакет. Таким образом, маршрутизатор ретранслирует пакет, продвигая его с входного интерфейса на выходной, для чего использует сетевую часть адреса назначения, обращаясь к таблице маршрутизации .

Выходной интерфейс связан с наиболее рациональным маршрутом к адресату. Конечный маршрутизатор на пути пакета непосредственно (прямо) связан с сетью назначения. Он использует часть сетевого адреса , содержащую адрес узла назначения, чтобы доставить пакет получателю данных.

Процесс ретрансляции пакетов маршрутизаторами рассмотрен на примере сети, приведенной на рис. 6.5. Маршрутизаторы в целом сетевого адреса не имеют, но поскольку они связывают между собой несколько сетей, каждый интерфейс ( порт ) маршрутизатора имеет уникальный адрес , сетевая часть которого совпадает с номером сети, соединенной с данным интерфейсом. Последовательные ( serial ) порты, соединяющие между собой маршрутизаторы, на рисунке обозначены молниевидной линией.

Путь от маршрутизатора A к маршрутизатору В может быть выбран:

через маршрутизатор С;
через маршрутизаторы D и E;
через маршрутизаторы F, G и H.

Оценка наилучшего пути производится на основе метрики. Например, если метрика учитывает только количество маршрутизаторов на пути к адресату, то будет выбран первый маршрут . Если же метрика учитывает полосу пропускания линий связи , соединяющих маршрутизаторы, то может быть выбран второй или третий маршрут при условии, что на этом пути наиболее широкополосные линии связи.

При выборе первого пути функция коммутации реализуется за счет продвижения поступившего на интерфейс 1а маршрутизатора A пакета на интерфейс 2а. Таким образом, пакет попадает на интерфейс 1с маршрутизатора С, который продвинет полученный пакет на свой выходной интерфейс 3с, т. е. передаст полученный пакет маршрутизатору В.

В процессе передачи пакета по сети используются как сетевые логические адреса (IP-адреса), так и физические адреса устройств ( MAC-адреса в сетях Ethernet ). Например, при передаче информации с компьютера Host X локальной сети Сеть 1, ( рис. 6.6) на компьютер Host Y, находящийся в удаленной Сети 2, определен маршрут через маршрутизаторы A, B, C.

Рис. 6.6. Использование маршрутизаторов для передачи данных по сети

Когда узел Host Х Сети 1 передает пакет адресату Host Y из другой Сети 2, ему известен сетевой IP- адрес получателя, который записывается в заголовке пакета, т. е. известен адрес 3-го уровня. При инкапсуляции пакета в кадр источник информации Host Х должен задать в заголовке кадра канальные адреса назначения и источника, т. е. адрес 2-го уровня (табл. 6.1).

У передающего узла нет информации об адресе канального уровня (MAC-адресе) узла назначения Host Y, поэтому Host Х в заголовке кадра в качестве адреса назначения задаст MAC-адрес входного интерфейса 1а маршрутизатора A. Именно через этот интерфейс , называемый шлюзом по умолчанию ( Default gateway ), все пакеты из локальной Сети 1 будут передаваться в удаленные сети. Однако и этот адрес источнику информации Host Х не известен. Процесс нахождения МАС-адреса по известному сетевому адресу реализуется с помощью протокола разрешения адресов Address Resolution Protocol – ARP, который входит в стек протоколов TCP/IP .

Появление сетей существенно отразилось на нашей повседневной жизни. Помимо нашего образа жизни, они также повлияли на рабочие процессы и способы развлечений.

Сети позволяют нам общаться, сотрудничать и взаимодействовать в совершенно новой форме. Мы по-разному используем сети — пользуемся веб-приложениями, IP-телефонией, проводим видеоконференции, играем онлайн, учимся и делаем покупки через Интернет и т. д.

Как показано на рисунке, при обсуждении сетевых технологий можно упомянуть множество ключевых структур и свойств, связанных с производительностью сети.

Топология: существуют физические и логические топологии. Физическая топология — схема расположения кабелей, сетевых устройств и конечных систем. В ней описывается, как сетевые устройства соединены между собой с помощью проводов и кабелей. Логическая топология — это путь, по которому данные передаются по сети. В ней описывается, как пользователи видят соединения сетевых устройств.
Скорость — это количество переданных данных по какому-либо каналу сети, измеряемое в битах в секунду (бит/с).
Стоимость указывает общие расходы на приобретение компонентов сети, установку и обслуживание сети.
Безопасность указывает на степень защищенности сети, в том числе защищенности информации, передаваемой по сети. Фактор безопасности играет очень важную роль, поэтому технологии и методы обеспечения безопасности постоянно развиваются. При любых действиях, которые могут повлиять на работу сети, необходимо обращать внимание на обеспечение безопасности.
Доступность указывает на возможность использования сети в момент обращения пользователя.
Масштабируемость показывает, насколько легко сеть может вмещать большее число пользователей и соответствовать требованиям передачи данных. Если проект сети оптимизирован только для выполнения текущих задач, то расширение сети для соответствия растущим требованиям влечет за собой большие трудности и высокие затраты.
Надежность указывает на степень безотказности компонентов, из которых состоит сеть: маршрутизаторов, коммутаторов, компьютеров и серверов. Надежность часто измеряется как вероятность сбоя или как среднее время безотказной работы (MTBF).

Эти характеристики и свойства обеспечивают способы для сравнения различных сетевых решений.

Примечание. Хотя термин «скорость» нередко используется для обозначения пропускной способности сети, технически это неправильно. Фактическая скорость, с которой передаются биты, остается неизменной в рамках одной среды. Различие в пропускной способности возникает из-за количества бит, передаваемых за секунду, а не из-за скорости их прохождения по проводам или беспроводной среде.

Необходимость маршрутизации

Каким образом, щелкнув на ссылку в веб-браузере, мы получаем желаемую информацию в считанные секунды? Несмотря на то что происходит это благодаря слаженной работе множества устройств и технологий, главным устройством является маршрутизатор. Говоря простым языком, маршрутизатор соединяет две сети вместе.

Обмен данными между сетями был бы невозможен без маршрутизатора, который определяет оптимальный путь до пункта назначения и пересылает трафик на следующий маршрутизатор по сети. Маршрутизатор отвечает за выбор маршрута для пересылки трафика между сетями.

В топологии на рисунке маршрутизаторы соединяют сети на разных узлах. При получении пакета на интерфейсе маршрутизатор использует свою таблицу маршрутизации для определения оптимального пути до пункта назначения. Пунктом назначения для IP-пакета может быть веб-сервер, расположенный в другой стране, или сервер электронной почты в локальной сети. Именно маршрутизаторы отвечают за эффективную доставку этих пакетов. Эффективность передачи данных между сетями в значительной степени зависит от возможности маршрутизаторов пересылать пакеты по наиболее оптимальному пути.

Маршрутизаторы как компьютеры

Как показано на рисунке ниже, для работы большинства устройств с поддержкой сети (например, компьютеры, планшеты и смартфоны) требуются следующие компоненты:

центральный процессор (ЦП);
операционная система (OS);
память и хранилище данных (ОЗУ, ПЗУ, энергонезависимое ОЗУ, флеш-память, жесткий диск).

Маршрутизаторы как компьютеры

центральный процессор (ЦП);
операционная система (OS);
память и хранилище данных (ОЗУ, ПЗУ, энергонезависимое ОЗУ, флеш-память, жесткий диск).

По сути, маршрутизатор — это специализированный компьютер. Для его работы необходимы ЦП и память, в которой хранятся данные для выполнения инструкций операционной системы, например инициализации системы, функций маршрутизации и коммутации.

Примечание. В качестве системного ПО устройства Cisco используют операционную систему Cisco IOS.

Память маршрутизатора бывает энергозависимая и энергонезависимая. При отключении питания содержимое энергозависимой памяти теряется, а содержимое энергонезависимой памяти сохраняется.

В таблице ниже представлены типы памяти маршрутизатора с указанием критерия энергозависимости, а также приведены примеры данных, хранящихся в том или ином типе памяти.

В отличие от компьютера, маршрутизаторы не имеют видео- и звуковых карт. Вместо этого маршрутизаторы оснащены специализированными портами и сетевыми платами для подключения устройств к другим сетям. На рисунке ниже описываются некоторые из этих портов и интерфейсов.

Маршрутизаторы соединяют сети

Маршрутизатор соединяет много сетей, и это означает, что он оснащен множеством интерфейсов, каждый из которых принадлежит другой IP-сети. Когда маршрутизатор получает IP-пакет на одном интерфейсе, он определяет, какой интерфейс следует использовать для пересылки пакета до места назначения. Интерфейс, который использует маршрутизатор для пересылки пакета, может быть конечной точкой маршрута, или же сетью, подключенной к другому маршрутизатору, используемому для достижения сети назначения.

В анимации ниже маршрутизаторы R1 и R2 отвечают за получение пакета в одной сети и пересылку этого же пакета из другой сети по направлению в сеть назначения.

Как правило, каждая сеть, к которой подключается маршрутизатор, требует отдельного интерфейса. Эти интерфейсы используются для соединения как локальных (LAN), так и глобальных сетей (WAN). В большинстве случаев, LAN — это сети Ethernet, содержащие такие устройства, как ПК, принтеры и серверы. WAN используются для соединения сетей на больших территориях. Например, подключение к WAN обычно используется для подключения LAN к сети интернет-провайдера (ISP).

Обратите внимание, что для соединения с другими узлами для каждого узла на рис. 2 требуется использование маршрутизатора. Даже в домашнем офисе требуется маршрутизатор. В сетевой топологии домашнего офиса маршрутизатор представляет собой специализированное устройство, которое представляет множество сервисов для домашней сети.

Маршрутизаторы выбирают оптимальные пути

Основные функции маршрутизаторов:

Определение оптимального пути для передачи пакетов
Пересылка пакетов к месту назначения

Маршрутизатор использует свою таблицу маршрутизации, чтобы найти оптимальный путь для пересылки пакетов. Когда маршрутизатор получает пакет, он проверяет адрес назначения пакета и использует таблицу маршрутизации для поиска оптимального пути к нужной сети. Кроме того, в таблице маршрутизации учитывается, какой интерфейс следует использовать для пересылки пакетов в каждую известную сеть. Если оптимальный маршрут найден, маршрутизатор инкапсулирует пакет в кадр канала передачи данных исходящего или выходного интерфейса и пересылает пакет до пункта назначения.

Анимация на рисунке демонстрирует передачу пакета от ПК источника до ПК назначения. Обратите внимание, что именно маршрутизатор отвечает за поиск сети назначения в своей таблице маршрутизации и пересылку пакета до пункта назначения. В этом примере маршрутизатор R1 получает пакет, инкапсулированный в кадр Ethernet. После деинкапсуляции пакета маршрутизатор R1 использует IP-адрес назначения пакета для поиска соответствующего сетевого адреса в своей таблице маршрутизации. После того, как в таблице маршрутизации найден сетевой адрес, маршрутизатор R1 инкапсулирует пакет внутри кадра PPP и пересылает пакет маршрутизатору R2. Аналогичный процесс выполняется на маршрутизаторе R2.

Примечание. Для того чтобы узнать об удаленных сетях и построить таблицы маршрутизации, маршрутизаторы используют протоколы статической и динамической маршрутизации.

Механизмы пересылки пакетов

Маршрутизаторы поддерживают три механизма пересылки пакетов:

Программная коммутация — это устаревший механизм пересылки пакетов, который по-прежнему доступен на маршрутизаторах Cisco. Когда пакет прибывает на интерфейс, он пересылается на уровень управления, где ЦП сопоставляет адрес назначения с записью в таблице маршрутизации, а затем определяет выходной интерфейс и пересылает пакет. Важно понимать, что маршрутизатор совершает это с каждым пакетом, даже если целый поток пакетов предназначен для одного адреса назначения. Механизм программной коммутации работает очень медленно и редко реализуется в современных сетях.
Быстрая коммутация — это распространенный механизм пересылки пакетов, который использует кэш быстрой коммутации для хранения информации о следующих переходах. Когда пакет прибывает на интерфейс, он пересылается на уровень управления, где ЦП ищет совпадение в кэше быстрой коммутации. Если совпадение не найдено, пакет проходит программную коммутацию и пересылается на выходной интерфейс. Информация о трафике для пакетов также хранится в кэше быстрой коммутации. Если на интерфейс прибывает другой пакет, адресованный тому же назначению, то из кэш-памяти повторно используется информация о следующем переходе без вмешательства ЦП.
Cisco Express Forwarding (CEF) — это новейший и наиболее предпочтительный для Cisco IOS способ пересылки пакетов. Как и быстрая коммутация, CEF создает 24-портовую базу данных переадресации (FIB) и таблицу смежности (adjacency table). Однако записи таблицы инициированы не пакетами, как при быстрой коммутации, а изменениями — например изменениями в сетевой топологии. Таким образом, по завершении сходимости сети в базе данных FIB и таблице смежности содержится вся информация, необходимая маршрутизатору при пересылке пакета. FIB содержит предварительно вычисленные обратные просмотры, информацию о следующих переходах для маршрутизаторов, в том числе информацию об интерфейсе и 2-м уровне. Коммутация CEF — это самый быстрый механизм пересылки, наиболее предпочтительный для использования на маршрутизаторах Cisco.

Рис. 1-3 иллюстрируют различия между тремя механизмами пересылки пакетов. Допустим, что поток трафика, состоящий из пяти пакетов, отправлен в одно место назначения. Как показано на рис. 1, при программной коммутации каждый пакет должен быть по отдельности обработан центральным процессором. Сравните данный механизм с механизмом быстрой коммутации, проиллюстрированным на рис. 2. При быстрой коммутации только первый пакет потока проходит программную коммутацию, после чего он добавляется в кэш быстрой коммутации. Следующие четыре пакета быстро обрабатываются, исходя из информации в кэш-памяти. На рис. 3 процесс CEF формирует базу данных FIB и таблицу смежности после завершения сходимости сети. Все пять пакетов быстро обрабатываются на уровне данных.

Три механизма пересылки пакетов можно описать, проведя следующую аналогию:

Программная коммутация делает все расчеты каждый раз, даже в случае решения идентичных проблем.
Быстрая коммутация делает расчеты один раз, запоминая ответ для последующих идентичных случаев.
Механизм CEF решает каждую из возможных проблем заранее, внося ее в электронную таблицу.

Источник: Академия Cisco.

Другие статьи из категории «CCNA: Routing and Switching Essentials»

Начнем, пожалуй, с самых основ, чтобы разобраться, откуда вообще возникло понятие уровня сетевого устройства.

В системе OSI присутствует 7 градаций обработки информации.

Расшифруем, что это значит, применительно к различного рода системам и приложениям.

Физический — элементарная передача «нулей» и «единиц», а также света, тока, радиоволн от источника к получателю. Ни о какой фильтрации и защите сигналов речи не идет.
Канальный — на этом этапе информация передается фрагментарно, кадрами, при помощи идентификаторов передачи — МАС-адресов, состоящих из 48 бит.
Сетевой на этом этапе к функционалу добавляется «маршрутизация», с назначением источнику и получателю IP-адресов. Чтобы перекодировать IP в MAC и наоборот, задействуют протокол ARP.
Транспортный — обеспечивает передачу данных по сети благодаря протоколам TCP и UDP в зависимости от требований конечного получателя.
Сеансовый — занимается созданием и разрывом сессий. Примером работы могут послужить, например, банковские приложения, которые самостоятельно выходят из учетной записи, если пользователь в течении нескольких минут не предпринимает действий. Также эта ступень отвечает за обмен данными в реальном времени и синхронизацию. Яркий пример подобного процесса — видеоконференция между двумя людьми или целой группой, где каждый участник должен в одно и то же время получать синхронную дорожку видео и звука.
Представление — или преобразование форматов, а также кодирование и сжатие графических, текстовых, прочих данных. Устройства и приложения из этой категории отвечают за возможность прочтения информации, отправленной от одного пользователя к другому. Пример: пересылка текста в кодировке ASCII будет прочитана при необходимости в UTF-8. Также к процессам типа L6 относится архивирование и распаковка информации, шифрование и дешифровка, для которых используются системы защиты данных.
Приложения — например, сетевые службы, которые позволяют заниматься серфингом интернета конечному потребителю. Иными словами, сюда относятся все интерфейсы, которые позволяют человеку взаимодействовать с устройствами при помощи инструментов управления.

Функционал устройств коммутации также организован в соответствии с этой моделью. Об этом поговорим ниже.

Что означают уровни коммутаторов L1, L2, L3, L4 и так далее…

Фактически, классические коммутаторы не поднимаются выше третьего уровня — L3. И то, эти устройства можно назвать полноценными маршрутизаторами с поправкой на функционал. Но мы пойдем по классической иерархии и обсудим подробно, как работает сетевое оборудование в соответствии с моделью OSI.

Сетевое оборудование 1 уровня (L1)

Устройства L1 работают на физической ступени. Иными словами, способны обрабатывать различные электрические сигналы от хоста к конечному потребителю и преобразовывать импульсы в логические нули и единицы. Исходя из этого, можно сказать, что обозначение «коммутатор первого уровня» не вполне корректно. К сетевому оборудованию из категории L1 относятся почти почившие ныне концентраторы, репитеры и повторители. Максимально дешевые в эксплуатации изделия с нулевой защитой трафика и такой же функциональностью. В чем отличие этих устройств от свитчей вы можете прочесть в этой статье.

Коммутаторы 2 уровня (L2)

На этом этапе к физическому подключается канальный, т.е. адресный уровень. При этом вся информация, как упоминалось выше, распространяется по сети с помощью кадров (фреймов). Все данные разбиваются на логические блоки определенного размера, чтобы коммутирующему устройству было проще распределить поток. Для адресации используется привязка МАС-адреса подключаемого оборудования к конкретному порту. Это упрощает отправку пакетов и делает канал защищенным.

Коммутаторы 3 уровня (L3)

На этом этапе возможности сетевого оборудования типа L2 дополняются функцией IP-маршрутизации. В сочетании с MAC-адресами, передача пакетов по оптимальной траектории становится еще быстрее, безопаснее и удобнее. Коммутатор просчитывает путь отправки пакета с данными, как GPS-навигатор — маршрут автомобиля перед поездкой. Именно поэтому этот функционал устройства называют маршрутизацией.

Коммутаторы 4 уровня (L4)

На этой ступени к функционалу L2 и L3 добавляется виртуализация (Virtual IP, VIP). VIP-адрес автоматически или вручную конфигурируется для отдельного сервера или группы серверов. Такой адрес также регистрируется через DNS-системы, как и обычный «физический» IP. Каждый коммутатор, ориентированный на 4-й тип обработки информации, поддерживает еще одну таблицу значений, где связаны исходный IP, исходный TCP и выбранный сервер. Подобным образом внутри крупной компании решают проблему с превышением нагрузки на отдельные сервера и перенаправлением трафика.

Отличия коммутаторов 2 и 3 уровня

Как было сказано выше, физическая отправка трафика происходит на первых трех ступенях. Первую отбрасываем по причине морального устаревания и остаются две — второй и третий, разница между которыми состоят в следующем:

модели коммутаторов второго уровняотправляют данные только по MAC-адресу порта-получателя, игнорируя все остальное порты. При этом устройство не просчитывает путь, по которому следует фрейм, что способно привести к перепадам нагрузки и заторам на разных участках сети.
Модели Layer 3 — осуществляют статическую или динамическую маршрутизацию трафика, поскольку располагают таблицами MAC и IP-адресов. Плюс обладают возможностью объединения нескольких устройств внутри одной или многих VLAN-сетей.

Таким образом, главное, чем отличаются коммутаторы второго и третьего уровня — наличие функции маршрутизации, которая обеспечивает связь внутри VLAN — виртуальной локальной вычислительной сети — с направлением пакетов по оптимальному маршруту без потерь и задержек с учетом нагрузки на сеть.

Ничего удивительного в том, что модели коммутаторов третьего уровня стоят дороже, чем их предшественники, поскольку за счет функции маршрутизации делают передачу данных значительно быстрее, безопаснее и эффективнее. Из сопутствующих полезных функций можно также назвать:

автоматическое маркирование трафика по IP-адресу;
высокая защита данных;
стекирование.

Помимо всего прочего управляемые маршрутизирующие коммутаторы уровня L3 обладают большей мощностью и высокой пропускной способностью, так как зачастую используются в качестве коммутаторов агрегации и ядра, что требует улучшенных характеристик. Однако далеко не всем бывает нужен расширенный функционал, за который требуется платить достаточно высокую цену. Тем, кого не устраивает перспектива переплачивать за L3, но возможностей L2 недостаточно, рынок сетевого оборудования предлагает компромиссный вариант — L2+

Разница между L2 и L2+

Layer 2+ (3 Lite) — это коммутационное оборудование второй ступени с расширенным функционалом. В качестве опций в устройствах L2+ могут присутствовать некоторые функции layer 3.

отслеживание DHCP - протокола динамической настройки узла для защиты от атак;
маршрутизация между сетями VLAN, с использованием статических маршрутов;
объединение ряда свитчей в стек, чтобы увеличит число портов;
и другие.

Иными словами, когда коммутирующее оборудование поддерживает лишь на статическую маршрутизацию, его относят к категории L2+ иначе называемое L3 Lite. Зачастую такого выбора оказывается достаточно для адекватного функционирования сети по критериям безопасности, эффективности и надежности. Коммутаторы L2+ оптимальны для компромиссного решения задач и позволяют поддержать хороший баланс цены и возможностей.

Заключение

Выбор коммутирующего оборудования зависит от многих параметров: его доступного функционала, характеристик и параметров сети. Уровни коммутатора в данном контексте можно рассматривать как один из критериев, по которому может осуществляться такой выбор, поскольку описывает возможности всей группы устройств в целом. Если у вас еще остались вопросы, вы можете задать их нашим специалистам, которые помогут подобрать сетевое оборудование в зависимости от ваших потребностей.

Читайте также: