Артём Санников

Характеристики сети

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).

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).

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

Большинство пользователей не знают о наличии множества маршрутизаторов в собственной сети или в Интернете. Пользователи хотят открывать веб-страницы, отправлять сообщения электронной почты и загружать музыку вне независимости от того, в собственной или в другой сети находится сервер, к которому они получают доступ. Сетевые специалисты знают, что именно маршрутизатор обеспечивает пересылку пакетов из сети в сеть, от первоисточника до конечного назначения.

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.

Маршрутизатор может получать пакет, который инкапсулирован в кадр канала передачи данных одного типа, и отправить пакет из интерфейса, который использует другой тип кадра канала передачи данных. Например, маршрутизатор может получить пакет на интерфейсе Ethernet, но должен переслать пакет из интерфейса, настроенного с помощью протокола «точка-точка» (PPP). Инкапсуляция канала передачи данных зависит от типа интерфейса маршрутизатора и типа передающей среды, к которой он подключен. Различные технологии каналов передачи данных, к которым может подключиться маршрутизатор, включают в себя Ethernet, PPP, Frame Relay, DSL, кабельные и беспроводные сети (802.11, Bluetooth и др.).

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.

Рис 1 — Программная коммутация

Рис 2 — Быстрая коммутация

Рис 3 — Cisco Express Forwarding (CEF)

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.

Метки: CCNA, Cisco, Routing and Switching Essentials.