Routing concept

Table of contents

Introduction

The main task of switching is to ensure nodes connectivity within one network (see. InfiLINK 2x2 and InfiMAN 2x2: Switching). To organize communication between networks, different class of devices (routers) must be used (see Figure 1). This article describes the applications areas and configuration of Infinet devices used as routers.

Terminology

• Switching - the process of connecting subscribers through intermediate devices. In most modern networks, frame switching is done based on the Ethernet header (destination MAC address and vlan ID). In example (Figure 1a) data exchange between PC-1 and PC-2 is performed based on MAC addresses. In this article, the terms switching and L2 data transmission technology are identical.
• Switch - the device that performs switching.
• Routing - the process of determining the data transmission path between nodes in different networks, which is the best according to some criteria. Most modern networks route packets based on the IP header (destination IP address). In example (Figure 1b) data exchange between PC-1 and PC-2 is performed based on IP addresses. n this article, the terms routing and L3 data transmission technology are identical.
• Router - the device that performs routing.
• Local network - the network part that is in the responsibility area of the organization. The organization's employees are responsible for assigning IP addresses to devices on this network, an address conflict is very unlikely.
• Global network - network having global scale. Usually, the Internet is understood as a global network. Since many local networks are connected to the global network, the IP addresses allocation is performed centrally by special organizations.

Switching

Let's look at the difference in processing service headers for data transmission by switching and routing using an example (Figure 1).

In the scenario when PC-1 sends data to PC-2 (Figure 1a), PC-1 fills in the service fields following way:

• Destination MAC address: MAC address PC-2 - MAC-2;
• Source MAC address: MAC address PC-1 - MAC-1;
• Destination IP address: IP address PC-2 - IP-2;
• Source IP address: IP address PC-1 - IP-1.

The switch receives a frame from PC-1 and redirects it to PC-2 in accordance with the switching table. Thus, data transmission is performed based on the Ethernet service header, since transmission is at the data link level. This mechanism is called switching.

In the scenario when PC-1 sends data to PC-3 (Figure 1b), PC-1 fills in the frame service fields following way:

• Destination MAC address: router MAC address - MAC-R2;
• Source MAC address: MAC address PC-1 - MAC-1;
• Destination IP address: IP address PC-3 - IP-3;
• Source IP address: IP address PC-1 - IP-1.

The switch receives such a frame and transmits it to the router in accordance with the switching table. The router receives the frame, decapsulates the IP packet and transmits it to LAN-2. In this case, service headers will be set in the following way:

• Destination MAC address: MAC address PC-3 - MAC-3;
• Source MAC address: outer MAC address - MAC-R2;
• Destination IP address: IP address PC-3 - IP-3;
• Source IP address: IP address PC-1 - IP-1.

Note that the IP packet header is left unchanged, the receiver and sender MAC addresses in the Ethernet frame header are changed. This operation was performed because MAC addresses are used to transfer data within the same local network, i.e. when transferring data between different local networks, the MAC addresses will always be replaced. This data transfer mechanism is called routing.

Routing

The main networks function is the ability to organize communication between arbitrary nodes connected to this network. Using for these tasks the packet switching technologies associated with the link layer of network interaction model has a number of disadvantages:

• There is a risk of loops appearance when using some data-link protocols such as Ethernet. The risk can be minimized using third party tools such as STP, but is not limited by standard Ethernet facilities.
• Объём широковещательного трафика зависит от числа устройств, подключенных к сети. Для того, чтобы объём широковещательного трафика в общей доле трафика не был велик, число устройств, подключенных к одному широковещательному домену ограничивают. Таким образом, все сетевые устройства не могут быть подключены к одному широковещательному домену, что делает использование канальных протоколов невозможным для организации глобальной связности устройств.
• Коммутаторы при передачи данных оперируют Ethernet-кадрами, в заголовках которых содержатся MAC-адреса устройств, являющихся отправителем и получателем. Каждая из записей таблицы коммутации содержит MAC-адрес интерфейса устройства и не поддерживает механизм группирования этих адресов. Таким образом, обеспечения глобальной связности потребует наличия таблиц коммутации, включающих в себя MAC-адреса всех устройств в мире, на каждом из сетевых узлов.

Данных недостатков лишен протокол сетевого уровня IP, который широко используется для обеспечения связности в крупных и глобальных сетях. Протокол IP не является заменой Ethernet, эти протоколы работают совместно и выполняют разные функции: Ethernet обеспечивает передачу данных в рамках канала связи, IP - отвечает за глобальную адресацию и связь узлов.

На текущий момент распространение получили две версии протокола IP: IPv4 и IPv6. Поскольку в устройствах Инфинет на текущий момент реализована поддержка только протокола IPv4, то далее будет рассматривать только эта версия протокола IP.

Протокол IP

IP-адрес

Протокол IP предусматривает использование 32 бит для адресации узлов в сети, которые принято делить на четыре октета и записывать в десятичной форме, разделяя октеты точками (рис. 2). Примеры записи IP-адресов:

• 10.94.200.7
• 192.17.0.0
• 201.15.2.255

Маска сети

Протокол IP предусматривает группировку адресов в сети с помощью масок сети. Маска сети применяется по отношению к IP-адресу, разделяя его на две части: идентификатор сети и идентификатор узла. Устройства, подключенные к одной сети, будут иметь одинаковый идентификатор сети и различные идентификаторы узлов. Для того, чтобы идентификатор сети на всех устройствах совпадал, необходимо использовать одинаковые значения маски сети при настройке устройств. Множество идентификаторов узлов позволяют сделать вывод о количестве устройств, которые могут быть подключены к этой сети, и их IP-адресах.

Маска сети имеет размер 32 бита и записывается в таком же формате, как IP-адрес, однако имеет одно отличие: маска состоит из последовательности единичных битов, за которыми следуют нулевые биты, т.е. набор масок предустановлен и состоит из 33 значений: от 0 до 32. Конечный диапазон возможных значений позволяет записывать маску сети в сокращённом формате, в котором через косую черту указывается количество единичных бит в маске (см. таблицу ниже).

Единичные биты в маске сети определяют идентификатор сети: разряды IP-адреса, соответствующие единичным битам маски, должны быть зафиксированы и не могут быть изменены. Остальные разряды IP-адреса, соответствующие нулевым битам маски, могут принимать произвольные значения и определяют идентификатор узла.

При конфигурации устройств, подключенных к сети, IP-адреса не используются в отрыве от маски сети, т.к. правила маршрутизации подразумевают разный подход при передаче данных устройству из "своей" сети и остальным устройствам (см. Коммутация). Следует иметь в виду, что маска сети указывается в конфигурации устройств и не передаётся в служебном заголовке IP-пакета.

Типы адресов

Пространство IP-адресов можно разделить по нескольким критериям:

• по области применения;
• по принадлежности.

По области применения адреса можно разделить на две большие группы: публичные и частные (рис. 3). Глобальная связность может быть организована только между публичными адресами, т.е. частная адресация используется в локальной сети предприятия, а публичная - в сети Интернет. Публичный адрес является уникальным, а частные адреса можно переиспользовать, т.е. устройства ПК-2 и ПК-6 могут иметь одинаковые адреса и это не является проблемой, т.к. связность между локальными сетями LAN-1 и LAN-2 отсутствует. Однако, адресация в рамках одной локальной сети должна быть уникальна, т.е. адреса ПК-5 и ПК-6 должны отличаться.

Помимо публичных и частных адресов выделяют несколько служебных диапазонов, которые используются, например, для передачи трафика группового вещания, трафика петлевых интерфейсов и т.д.

По принадлежности в любой сети можно выделить следующие адреса:

• Адрес сети: адрес, закреплённый за этой сетью. Зачастую адрес сети используется в таблицах маршрутизации устройств, как будет показано далее. В качестве адреса сети используется наименьший адрес из диапазона разрешённых: в примере 1 - 10.94.200.0, в примере 2 - 192.17.0.0.
• Широковещательный адрес: адрес, получателями которого являются все устройства, подключенные к сети. Пакет, в котором в качестве получателя указан широковещательный адрес сети, будет доставлен всем устройствам, подключенным к этой сети. В качестве широковещательного адреса используется наибольший адрес из диапазона разрешённых: в примере 1 - 10.94.200.255, в примере 2 - 192.17.0.3.
• Адреса узлов: адреса, которые можно использовать для назначения сетевым интерфейсам устройств, которые подключены к сети. В качестве адресов узлов можно использовать все разрешённые адреса, кроме адреса сети и широковещательного адреса: в примере 1 - 10.94.200.1-10.94.200.254, в примере 2 - 192.17.0.1-192.17.0.2.

Место маршрутизатора в сети

На рисунке 3 отсутствуют элементы, которые связывают сети друг с другом и позволяют передавать данные между сетями, используя IP-адресацию. Такие элементы называются маршрутизаторами (рис. 4). В общем случае маршрутизатор объединяет несколько сетей произвольного типа, а не публичную и частную, как это показано в примере.

Можно выделить следующие ключевые особенности маршрутизаторов:

• Основная функция маршрутизатора - передача данных между сетями, к которым он подключен.
• Подключение маршрутизатора к сети выполняется через подключение к сети одного из интерфейсов маршрутизатора и назначение этому интерфейсу IP-адреса из диапазона разрешённых. В качестве интерфейса может быть использован как физический, так и виртуальный интерфейс.
• При передаче данных маршрутизатор руководствуется таблицей маршрутизации.
• Данные внутри сети передаются с использованием технологии коммутации, а между сетями - маршрутизации, т.е. протоколы IP и Ethernet, как было сказано ранее, дополняют друг друга.
• Для пользовательских данных маршрутизатор является промежуточным устройством и не изменяет адреса источника и получателя. IP-адреса источника и получателя устанавливает источник пакета.
• При поиске получателя в таблице маршрутизации, маршрутизатор анализирует только адрес получателя. Адрес источника в служебном заголовке устанавливается для того, чтобы получатель мог отправить ответный пакет.
• Таблица маршрутизации присутствует не только в специализированных сетевых устройствах, но и конечных узлах. Например, на ПК под управлением ОС Windows таблицу маршрутизации можно увидеть, выполнив команду "route print" в командной строке.

Таблица маршрутизации

Рассмотрим схему сети (рис. 5), включающую в себя следующие элементы:

• Локальная сеть LAN-1 для подключения пользовательских устройств ПК-1 и ПК-2:
  • в сети используется адресация 192.168.1.0/24;
  • ПК-11 ассоциирован с адресом 192.168.1.10/24;
  • ПК-2 ассоциирован с адресом 192.168.1.20/24;
  • R1 ассоциирован с адресом 192.168.1.1/24.
• Локальная сеть LAN-3 для подключения пользовательских устройств ПК-3 и ПК-4:
  • в сети используется адресация 172.16.3.0/28;
  • ПК-3 ассоциирован с адресом 172.16.3.2/28;
  • ПК4 ассоциирован с адресом 172.16.3.4/28;
  • R3 ассоциирован с адресом 172.16.3.1/28.
• Локальная сеть LAN-2 для соединения маршрутизаторов R1, R2 и R3 между собой:
  • в сети используется адресация 10.10.2.0/29;
  • R1 ассоциирован с адресом 10.10.2.1/29;
  • R2 ассоциирован с адресом 10.10.2.2/29;
  • R3 ассоциирован с адресом 10.10.2.3.
• Подключение маршрутизатора R2 к глобальной сети WAN:
  • на интерфейсе eth0, подключенному к WAN назначен адрес 45.94.77.7/25.

Таблица маршрутизации представляет собой адресный справочник сетей. В ней указывается местонахождение сетей, используемое при передаче пакетов. В таблице маршрутизации может отсутствовать точное местонахождение той или иной сети, однако обязательно указан сетевой интерфейс, через который пролегает путь в сеть назначения. Такая логика используется всеми маршрутизаторами на пути следования трафика, т.е. если на пути прохождения пакета расположено 8 маршрутизаторов, то каждый из них обладает информацией только о следующем маршрутизаторе по ходу следования и эта информация содержится в таблице маршрутизации.

Таблица маршрутизации включает в себя следующие колонки (таблица 2а-в):

• Адрес сети: адрес получателя пакета, указанный в служебном заголовке, проверяется на принадлежность сети, адрес которой указан в таблице. В случае, если получатель принадлежит данной сети, то для передачи данных может быть использована текущая запись таблицы.
• Адрес шлюза: адрес следующего маршрутизатора, которому будет передан пакет.
• Выходной интерфейс: сетевой интерфейс, через который будет отправлен пакет.
• Distance: в сетях с избыточным числом каналов связи существует несколько путей к одной и той же сети. Эти маршруты могут быть получены из одного или нескольких источников, однако в таблицу маршрутизации должен быть помещён только один из этих маршрутов. Для приоритизации маршрутов из разных источников используется параметр Administrative Distance (или Distance), который можно трактовать как уровень доверия этому источнику. В таблицу маршрутизации будет добавлен маршрут от источника с наименьшим значением Distance, т.к. меньшее значение Distance означает больший уровень доверия. Для значений Distance сформулированы общие рекомендации, которым следуют большинство производителей сетевого оборудования (таблица 3).
  
• Метрика: маршрут к одной и той же сети, может быть получен не только от разных источников, как упомянуто выше, но и от одного. Для приоритизации этих маршрутов при добавлении в таблицу маршрутизации используются метрики. Каждый из источников маршрутов выполняет расчёт метрики с использованием разных алгоритмов, поэтому метрики различных источников нельзя сравнивать напрямую.

Использование таблицы маршрутизации

На пути следования пакета каждый из маршрутизаторов применяет алгоритм использования таблицы маршрутизации. Этот алгоритм выглядит следующим образом:

• Этап 1: адрес получателя проверяется на принадлежность сетям, записи о которых присутствуют в таблице маршрутизации.
• Этап 2: среди записей, удовлетворяющих требованию этапа 1, выбирается "наиболее узкий маршрут", т.е. запись с максимальным значением маски сети. Например, маска /24 уже, чем /8.
• Этап 3: если на этапе 2 отобрано несколько записей таблицы маршрутизации с одинаковыми масками сети, выполняется сравнение параметра Distance. Чем меньше значение этого параметра, тем выше приоритет маршрута.
• Этап 4: если на этапе 3 отобрано несколько записей таблицы маршрутизации с одинаковыми значениями Distance, выполняется сравнение метрик. Чем меньше значение метрики, тем выше приоритет маршрута.
• Этап 5: если ни одна из записей таблицы маршрутизации не удовлетворяет требованиям этапа 1 и отсутствует маршрут по умолчанию, то пакет отбрасывается.

Примеры использования таблицы маршрутизации

Рассмотрим примеры использования таблицы маршрутизации в различных сценариях (рис. 6а-в).

Сценарий 1 - подключение ПК1 к FTP-серверу, запущенному на ПК2 (источник - 192.168.1.10, получатель - 192.168.1.20)

• Этап 1а: ПК1 формирует пакет с адресом получателя ПК2 и передаёт его на обработку канальному уровню сетевого интерфейса.
• Этап 1б: Канальный уровень сетевого интерфейса ПК1 проверяет принадлежность получателя к сети источника. Поскольку ПК1 и ПК2 принадлежат одной сети, то в заголовке Ethernet устанавливается MAC-адрес сетевого интерфейса ПК2. Сформированный кадр отправляется Коммутатору1.
• Этап 1в: Коммутатор передаёт кадр ПК2 в соответствии с таблицей коммутации.

Данные передаются в рамках одной сети с использованием технологий коммутации, поэтому маршрутизатор R1 в этом процессе не участвует.

Сценарий 2 - проверка доступности ПК3 со стороны ПК1 (источник - 192.168.1.10, получатель - 172.16.3.2)

• Этап 1а: ПК1 формирует пакет с адресом получателя ПК3 и передаёт его на обработку канальному уровню сетевого интерфейса.
• Этап 1б: Канальный уровень сетевого интерфейса ПК1 принадлежность получателя к сети источника. ПК1 и ПК3 принадлежат разным сетям, поэтому в качестве MAC-адреса получателя в заголовке Ethernet указывается MAC-адрес маршрутизатора R1. Сформированный кадр отправляется Коммутатору 1.
• Этап 1в: Коммутатор1 передаёт кадр R1 в соответствии с таблицей коммутации.
• Этап 2а: Маршрутизатор R1 анализирует таблицу маршрутизации: адресу получателя удовлетворяют две записи, 172.16.3.0/28 и 172.16.3.0/30. Т.к. маска /30 уже, чем /28, то R1 будет перенаправлять пакет в сеть 172.16.3.0/30. Обратите внимание, если бы получателем пакета было устройство ПК4, то использовалась бы другая запись в таблице маршрутизации, несмотря на то, что ПК3 и ПК4 относятся к одной сети.
• Этап 2б: Маршрутизатор R1 передаёт кадр Ethernet маршрутизатору R3. IP-адреса источника и получателя остаются без изменений, MAC-адрес источника устанавливается равным MAC-адресу интерфейса eth2 R1, MAC-адрес получателя - MAC-адресу интерфейса eth3 R3.
• Этап 2в: Коммутатор передаёт полученный Ethernet-кадр маршрутизатору R3.
• Этап 3а: Маршрутизатор R3 анализирует таблицу маршрутизации: адресу получателя удовлетворяет сеть 172.16.3.0/28.
• Этап 3б: Маршрутизатор R3 отправляет Ethernet-кадр в направлении Коммутатора3. IP-адреса источника и получателя остаются без изменений, MAC-адрес источника устанавливается равным MAC-адресу интерфейса eth1 R3, MAC-адрес получателя - MAC-адресу интерфейса сетевого интерфейса ПК3.

Сценарий 3 - переход на сайт "infinet.ru" с ПК1 (источник - 192.168.1.10, получатель - 82.151.200.119)

• Этап 1: ПК1 формирует пакет с адресом получателя 82.151.200.119, что соответствует IP-адресу сервера, по которому доступен сайт infinet.ru. Пакет отправляется маршрутизатору R1.
• Этап 2: Маршрутизатор R1 анализирует таблицу маршрутизации: в таблице отсутствуют сети, удовлетворяющие адресу получателя, поэтому необходимо использовать маршрут по умолчанию. Маршрутизатор отправляет пакет в направлении R2.
• Этап 3: Маршрутизатор R2 анализирует таблицу маршрутизации: нет записей, удовлетворяющих адресу получателя, поэтому используется маршрут по умолчанию и пакет отправляется на маршрутизатор, находящийся за пределами локальной сети (в сеть WAN).

Заполнение таблицы маршрутизации

Говоря о механизмах заполнения таблицы маршрутизации стоит ввести два термина:

• RIB (routing information base - база данных о маршрутизации) - совокупность маршрутной информации, полученной из всех источников.
• FIB (forwarding information base - база данных о перенаправлении) - таблица перенаправления данных, используемая для обработки транзитного трафика. FIB формируется из RIB путём фильтрации и объединения маршрутной информации (рис. 7).

Источниками маршрутной информации, формирующих RIB, являются:

• Маршруты операционной системы: служебные сети, используемые операционной системой устройства. Например, к таким сетям относится сеть петлевых интерфейсов 127.0.0.0/8.
• Непосредственно присоединённые сети: сети, к которым устройство подключено непосредственно, т.е. интерфейсы устройства ассоциированы с IP-адресами, которые принадлежат этим сетям. Distance маршрутов такого типа минимальный и равен 0 (таблица 2а-в).
• Статические маршруты: маршруты, добавленные в таблицу вручную. Distance маршрутов такого типа равен 1 (таблица 2а).
• Протоколы динамической маршрутизации: маршруты, полученные с помощью протоколов динамической маршрутизации. За каждым из протоколов динамической маршрутизации закреплено значение Distance, примеры которых представлены в таблице 3.

Таблица маршрутизации в устройствах Инфинет

В зависимости от семейства, устройства Инфинет поддерживают различные источники маршрутной информации:

Отображение таблицы маршрутизации

Далее, по ходу статьи, мы будем использовать инструменты вывода и анализа маршрутной информации. Эти инструменты зависят от семейства устройств и будут представлены ниже.

Таблица маршрутизации устройств семейств InfiLINK 2x2, InfiMAN 2x2

Устройства семейств InfiLINK 2x2, InfiMAN 2x2 поддерживают настройку маршрутизации как для трафика управления, так и для пользовательского трафика, причём поддерживаются статические маршруты и протоколы динамической маршрутизации.

Вывод маршрутной информации осуществляется двумя способами:

• Web-интерфейс: переход в раздел "Настройки сети → Параметры маршрутизации" (рис. 8а). Интерфейс позволяет просмотреть только статические маршруты.
• Командная строка: команда "nestat -r" выводит данные FIB. Кроме того, существуют команды, позволяющие оценить маршрутную информацию по отдельным источникам, о которых пойдёт речь в соответствующих разделах.

Unknown node#1> netstat -r
Routing tables
Destination        Gateway            Flags     Refs     Use  Interface
10.10.10.0/24      link#6             UC          0        0  svi1
10.10.10.101       00:0c:29:40:72:d0  UHL         0        1  svi1
10.10.10.254       link#6             UHL         0        0  svi1
10.10.20.0/24      link#2             UC          0        0  eth0
10.10.20.101       00:0c:29:40:72:d0  UHL         1     1307  eth0
127.0.0.1          127.0.0.1          UH          1        0  lo0
224.0.0.0/8        127.0.0.1          UGS         0        0  lo0

Таблица маршрутизации устройств семейств InfiLINK XG, InfiLINK XG 1000

Устройства семейств InfiLINK XG, InfiLINK XG 1000 поддерживают только настройку маршрутизации для трафика управления. Можно указать шлюз по умолчанию и добавить статические маршруты. Вывод таблицы маршрутизации осуществляется двумя способами:

• Web-интерфейс: переход в раздел "Сетевой доступ" (рис. 8б).
• Командная строка: выполнение команды "nestat -r".

#1> netstat -r
Routing tables
Destination        Gateway            Flags     Refs     Use  Interface
10.10.10.0/24      link#2             UC          0        0  mgmt
10.10.10.101       00:0c:29:40:72:d0  UHL         1      512  mgmt
10.10.10.254       link#2             UHL         1        0  mgmt
10.10.20.0/24      10.10.10.254       UGS         0        0  mgmt
127.0.0.1          127.0.0.1          UH          0        0  lo0
224.0.0.0/8        127.0.0.1          UGS         0        0  lo0

Таблица маршрутизации устройств семейств Vector 5, Vector 70

Устройства семейств Vector 5, Vector 70 поддерживают только настройку маршрутизации для трафика управления, позволяя указать шлюз по умолчанию. Вывод таблицы маршрутизации осуществляется двумя способами:

• Web-интерфейс: переход в раздел "Сетевой доступ" (рис. 8в).
• Командная строка: выполнение команды "netstat -r".

#1> netstat -r
Routing tables
Destination        Gateway            Flags     Refs     Use  Interface
10.10.10.0/24      link#2             UC          0        0  eth0
10.10.10.101       00:0c:29:40:72:d0  UHL         5     3222  eth0
127.0.0.1          127.0.0.1          UH          0        0  lo0
224.0.0.0/8        127.0.0.1          UGS         0        0  lo0

Дополнительные материалы

Онлайн-курсы

1. Предварительная настройка и установка устройств семейств InfiLINK 2x2 и InfiMAN 2x2
2. Коммутация в устройствах семейств InfiLINK 2x2 и InfiMAN 2x2.
3. Устройства семейства InfiLINK XG
4. Vector 5: установка и настройка

Вебинары

1. Типовые сценарии настройки маршрутизации в устройствах Инфинет. Часть 1.
2. Типовые сценарии настройки маршрутизации в устройствах Инфинет, часть 2.
   

Прочее

1. InfiNet Wireless R5000 - Веб-интерфейс - Руководство пользователя
2. InfiLINK XG / InfiLINK XG 1000 - Руководство пользователя
3. Семейство Vector 5 - Руководство пользователя
4. Команда netstat