ROUTERE• Sunt utilizate pentru a conecta reţele:

- Reţele locale între ele, în cadrul unei organizaţii (interne)

- Întreaga reţea la lumea exterioară

- reţele similare sau nu, LAN-uri sau WAN-uri

• lucrează pe nivelul 3 (reţea) al modelului OSI utilizează adrese logice (adrese IP)

• sunt dependente de protocol – trebuie configurate exact pentru suita de protocoale pe care o utilizează (TCP/IP, SPX/IPX, Apple Talk)

• iau decizii referitoare la “calea cea mai bună” (best path) pentru a trimite informaţia de la un nod la altul, luând în considerare diferite informaţii (numărul de hop-uri, congestii, disponibilitatea conexiunii, lăţimea de bandă)

• pot trimite datele pe căi alternative, dacă acestea sunt disponibile asigură redundanţă toleranţă la defect

• Internet-ul este format din milioane de routere, răspândite în întreaga lume fără routere nu ar exista Internet-ul

Routerele îndeplinesc două funcţiuni principale:- comutarea- rutarea pachetelor

• COMUTAREA (switching)

procesul de mutare a pachetelor de pe o interfaţă de intrare a routerului, pe o interfaţă de ieşire (forwarding)

procesul de extragere, din cadrul (frame) al nivelului 2 - Legături de date (Data Link), a pachetului IP şi încapsularea acestuia în alt cadru (frame) cu informaţia – adresa MAC, a interfeţei de ieşire a routerului.

• RUTAREA PACHETELOR – este o funcţie releu, prin care pachetele sunt trimise de la o locaţie la alta. Mecanismul de rutare răspunde de învîţarea şi întreţinerea informaţiilor despre topologia reţelei

Routerele funcţionează după modelul ‘hop-după-hop’ şi realizează ‘best effort packet delivery’ – pachetul este livrat routerului aval, considerat de routerul care trimite pachetul ca fiind cel mai apropiat de destinaţie.

Exemplu: Se consideră două reţele diferite (A şi B) care trebuie să comunice (TCP/IP poate să determine dacă sursa şi destinaţia aparţin aceleiaşi reţele sau nu, prin compararea ID-urilor de reţea din adresele IP)

Datele destinate altei reţele sunt trimise către “default gateway”, care este de fapt interfaţa routerului legată la reţea. Routerul îşi consultă tabela de routare şi:

- Dacă destinaţia este în aceeaşi reţea, nu face rutare (de exemplu dacă sursa şi destinaţia s-ar găsi ambele în reţeaua A)

-Dacă cunoaşte o cale către destinaţie, trimite pachetul pe interfaţa cea mai apropiată de destinaţie

- Dacă nu cunoaşte o cale către destinaţie, routerul fie aruncă pachetul, fie, dacă are configurată o “default route”, îi trimite pachetul prin interfaţa legată la aceasta.

RUTAREA PACHETELOR

Problema rutării se enunţă astfel: Atunci când un router primeşte un pachet pentru o anumită destinaţie, el trebuie să decidă pe care dintre interfeţele sale să-l trimită.

Una dintre interfeţe trebuie să fie întotdeauna mai aproape de destinaţie; dacă fiecare ruter care primeşte un pachet îl trimite apoi pe o interfaţă mai apropiată de destinaţia finală, eventual pachetul va ajunge la destinaţie.

Nor (CLOUD, Network Cloud) – Simbolul ‘nor’ reprezintă serviciile de comunicaţii fără prezentarea detaliilor arhitecturii de reţea. Utilizatorul este interesat numai de intrarea şi ieşirea datelor în şi din reţea.

CCNA INTRO Exam Certification Guide (CCNA Self-Study, 640-821, 640-801)

http://www.ciscopress.com/title/1587200945

Trasmiterea datelor end-to-end logic PC1 R1 R2 R3 PC2.

Logica utilizării de către fiecare dispozitiv diferă puţin. Deoarece PC2 nu este pe aceeaşi reţea Ethernet cu PC1, PC1 trebuie să trimită pachetul ruterului legat la reţeaua lui PC1. Staţia emiţătoare trimite un cadru (nivelul data link), peste mediu, routerului. Acest cadru conţine pachetul IP în porţiunea lui de DATE.

Acest cadru utilizează adresarea corespunzătoare nivelului 2 (data link) în headerul cadrului, pentru a se asigura că ruterul (nearby - poarta implicită) primeşte cadrul. Ideea principală este că iniţiatorul datelor nu cunoaşte structura reţelei. El ştie numai cum să trimită datele celui mai apropiat router (default router):

PC1 - trimite pachetul lui R1

R1 R2 – rutarea datelor peste reţea R1 şi R2 utilizează acelaşi proces pentru a ruta

pachetul - Tabela de rutare pentru fiecare anume protocol al nivelului de reţea conţine o listă a adreselor universale de reţea ale grupurilor (groupings). În locul unei intrări în tabela de rutare pentru fiecare adresă individuală de destinaţie, există o singură intrare / grup. Ruterul compară adresa de reţea de destinaţie din pachet cu înregistrarea din tabela de rutare şi face alegerea unde să trimită pachetul în continuare. Sistemul este similar sistemului de cod poştal.

Orice ruter intermediar repetă procesul.

Adresa reţelei de destinaţie din pachet identifică grupul căruia îi aparţine destinaţia. Tabela de rutare este analizată pentru a găsi înregistrarea corespunzătoare, ceea ce-i va permite ruterului (R3) conectat la respectiva reţea sau subreţea (a gazdei de destinaţie) să trimită pachetul.

Logica la R3. Livrarea datelor la capătul de destinaţie Ultimul ruter de pe cale, R3, utilizează aceeaşi

logică cu R1 şi R2 cu o mică diferenţă: R3 trebuie să trimită pachetul direct lui PC2, nu altui ruter !!!

Interacţiunea între nivelul de reţea şi nivelul Data Link

În figura de mai sus, au fost utilizate 4 feluri de legături de date pentru a transmite datele.

Când protocolul nivelului de reţea procesează pachetul, el decide cărei interfeţe a ruterului trebuie trimis pachetul. Înainte ca biţii să ajungă efectiv pe respectiva interfaţă fizică, nivelul de reţea trebuie să transmită pachetul protocoalelor nivelului Data Link, care, la rândul lor, cer nivelului fizic să transmită efectiv datele. Nivelul Data Link adaugă headerul şi trailerul corespunzător pachetului, creând un cadru, înainte ca aceste cadre să fie trimise pe fiecare reţea fizică.

Procesul de rutare transmite pachetul şi numai pachetul de la un capăt la altul prin reţea, descărcând headerele şi trailerele nivelului Data Link pe parcurs.

Nivelul de reţea procesează livrarea pachetului end-to-end, utilizând headere şi trailere succesive numai pentru a face ca pachetul să ajungă la ruterul sau gazda următoare de pe cale.

Figura următoare figurează procesul evidenţiând şi încapsularea.

Deoarece ruterele construiesc noi headere şi trailere ale nivelului Data Link şi deoarece noile headere conţin adrese MAC (Data Link), PC-urile şi ruterele trebuie să aibă o modalitate de a decida ce adrese MAC trebuie să utilizeze. Un exemplu este protocolul ARP (Adress Resolution Protocol), care asigură învăţarea dinamică a adreselor MAC ale gazdelor IP conectate la un LAN.

Pe scurt, procesul de rutare = trimiterea pachetelor de nivel 3 (reţea), denumite şi ’Layer 3 Protocol Data Units’ (L3 PDU), pe baza adresei destinaţiei de nivel 3 din pachet. Procesul utilizează nivelul Data Link pentru încapsularea pachetelor de nivel 3 (reţea) în cadre de nivel 2 (Data Link) pentru transmiterea peste fiecare legătură Data Link succesivă.

Maximum transfer unit (MTU) reprezintă dimensiunea celei mai mari datagrame ce poate fi transmisă peste o reţea. Dacă datagrama este mai mare decât MTU, datagrama trebuie fragmentată în mai multe datagrame mai mici.Când o inter-reţea este formată din mai multe tehnologii de reţea, trebuie luat în considerare faptul că maximum transfer unit (MTU) diferă în funcţie de tehnologie:

Majoritatea protocoalelor de nivel 3 (reţea) pot fragmenta şi reasambla pachetele prea mari pentru o anumită subreţea, astfel încât reţelele rutate să poată fi adaptate diferitelor MTU-uri, ceea ce maximizează fluxul.

Tabelele de rutare

Când se doreşte comunicarea cu un calculator care nu este conectat în aceeaşi reţea locală , pachetul va trebui să treacă prin mai multe rutere pînă la destinaţie. Problema care se pune este: "care este primul router"?

Informaţia de acest gen este menţinută de nivelul IP într-o tabelă de rutare.Această tabelă descrie pentru fiecare grup de adrese interfaţa care trebuie folosită pentru a ajunge la ele şi primul router căruia datele trebuie să-i fie trimise (next hop).

Fiecare grup dintr-o tabelă de rutare are o singură inregistrare (intrare) !

Semnificaţia termenului ‘GROUP’ din tabela de rutare provine din faptul că adresele IP au proprietatea de a fi grupate. În funcţie de suita de protocoale utilizată, aceste grupuri se numesc:

EXEMPLU: Pentru structura inter-reţelei din figura următoare se va prezenta tabela de rutare a routerului B, înainte şi după actualizare.

Routerul B

ARHITECTURA PROTOCOALELOR DE RUTARE

Arhitectura protocoalelor de rutare se referă la modul cum este structurată “inter-reţeaua”.

Odată cu existenţa unui număr de reţele şi rutere care trebuie conectate, există mai multe feluri de a realiza aceasta.

Arhitectura aleasă se bazează pe modul de legare a ruterelor între ele şi aceasta are impact asupra modului cum se desfăşoară rutarea, şi cum lucrează protocoalele.

ARHITECTURA DE BAZĂ (CORE ARCHITECTURE)

TCP/IP şi Internetul s-au dezvoltat simultan, astfel încât şi protocoalele de rutare au evoluat odată cu Internetul.

Arhitectura de la începutul Internetului consta dintr-un număr mic de rutere de bază (core routers) care deţineau suficiente informaţii despre inter-reţea.

Extinderea Internetului s-a făcut prin adăugarea de noi rutere acestui “miez”. Astfel, la fiecare extindere a “miezului”, volumul de informaţii de rutare ce trebuiau întreţinute creştea.

Când “miezul” a devenit prea mare, s-a format o ierarhie pe două nivele pentru a permite o expansiune suplimentară:

Ruterele care nu aparţineau “miezului” au fost amplasate la periferia “miezului” şi conţineau numai informaţii de rutare parţială. Ele se bazeau pe ruterele “miezului” pentru transmisii peste inter-reţea.

Un protocol pentru rutare special Gateway-to-Gateway Protocol (GGP) era utilizat în interiorul “miezului” inter-reţelei, iar alt protocol denumit Exterior Gateway Protocol (EGP) era utilizat între ruterele aparţinând “miezului” şi cele care nu aparţineau.

ARHITECTURA SISTEMELOR AUTONOME (AS)

Pentru a rezolva aceste probleme, a fost creată o nouă arhitectură ce corespundea mai bine unei inter-reţele mai mari şi în creştere.

Această arhitectură, descentralizată, tratează Internetul ca fiind un set de grupuri independente fiecare denumit sistem autonom (AS). Fiecare AS constă dintr-un set de rutere şi reţele controlate de o organizaţie particulară sau o entitate administrativă, care utilizează o singură politică consistentă pentru rutarea internă.

Puterea acestui sistem constă în faptul că rutarea în inter-reţea se face la nivelul AS şi nu între rutere individuale. Informaţia de rutare este partajată între unul sau două rutere din fiecare AS, nu cu fiecare ruter din fiecare AS.

Rutarea în interiorul AS este transparentă (ascunsă) pentru restul inter-reţelei. Aceasta asigură atât flexibilitate pentru fiecare AS, care poate să facă rutarea cum i se potriveşte mai bine (de aici denumirea “autonomie”) cât şi eficienţa întregii inter-reţele.

Modul diferit cum se face rutarea în interiorul unui AS şi între AS-uri se vede în primul rând din protocoalele de rutare utilizate:

- protocoale de rutare interioare (Interior Routing Protocol) – utilizate pentru schimbul de informaţii de rutare între ruterele unui sistem autonom – NU sunt utilizate între AS-uri;

- protocoale de rutare exterioare – utilizat pentru schimbul de informaţii între sistemele autonome. Pot fi utilizate şi în interiorul unui AS, dar în principal fac schimb de informaţii între sistemele autonome.

Concluzie:

Protocoalele de rutare interioare sunt utilizate pentru a partaja informaţii de rutare în interiorul unui AS. Fiecare AS poate utiliza protocoale de rutare interioare diferite deoarece sunt autonome.

Protocoalele de rutare exterioare partajează informaţii între AS-uri.

Fiecare AS trebuie să utilizeze acelaşi protocol de rutare exterior pentru a asigura comunicarea.

Deoarece sistemele autonome sunt numai un set de rutere, aceasta înseamnă că AS-urile sunt conectate prin legarea unui ruter dintr-un AS cu un ruter din alt AS. Din punct de vedere arhitectural, un AS constă dintr-un set de rutere cu două tipuri diferite de conectivitate:

- rutere interne, care conectează alte rutere din acelaşi AS, rulând protocoalele de rutare interioare

- rutere de graniţă (border routers) care conectează atât rutere din acelaşi AS, cât şi rutere din unul sau mai multe AS-uri. Aceste dispozitive răspund de asigurarea traficului între AS-uri şi restul inter-reţelei. Ele rulează atât protocoale de rutare interioare, cât şi exterioare.

AS#1

AS#2

AS#3

Rutere:de graniţă interior

Schema ilustrează o reprezentare simplificată a Internetului, organizat în trei sisteme autonome, fiecare gestionat independent. Comunicaţia în interiorul AS-ului se face prin protocoalele interioare de rutare, alese de administratorul AS-ului. Comunicaţia dintre AS-uri se face utilizând acelaşi protocol exterior de rutare.

Fiecărui sistem autonom îi este alocat un număr (AS number) pentru utilizare cu protocolul BGP.

Aceste numere (întregi de 16 biţi) sunt gestionate global (pentru a asigura unicitatea lor în Internet) şi alocate de către aceleaşi autorităţi care alocă adresele IP:

- în domeniul 1 – 64511 pentru utilizare pe Internet

- în domeniul 64512 – 65535, care pot fi utilizate în interiorul unei organizaţii.

Concluzie:

Inter-reţelele TCP/IP moderne, mari, pot conţine mii de rutere.

Pentru a gestiona mai bine rutarea într-un astfel de mediu, ruterele sunt grupate în sisteme autonome. Fiecare AS constă dintr-un grup de rutere gestionat independent de o entitate sau o organizaţie particulară.

ALGORITMI ŞI METRICA PROTOCOALELOR

Altă clasificare a protocoalelor de rutare este făcută pe baza algoritmului şi a metricii utilizate.

Algoritmul se referă la metoda utilizată de protocol pentru determinarea celei mai bune căi între oricare pereche de reţele şi pentru partajarea informaţiilor de rutare între rutere.

Metrica este măsura “costului” utilizat pentru a accesa cu o anumită eficienţă o anumită rută.

Deoarece inter-reţelele sunt foarte complexe, algoritmii şi metrica unui protocol sunt foarte importante şi pot reprezenta un factor decisiv în alegerea unui protocol.Există doi algoritmi utilizaţi de protocoalele de rutare:

• vectorul de distanţă (distance vector)• starea conexiunii (link state)

Există protocoale care le utilizează pe amândouă sau alţi algoritmi.

• Algoritmul Bellman-Ford pentru protocoalele de rutare bazate pe vectorul de distanţă

Algoritmul de rutare bazat pe vectorul de distanţă, denumit şi Bellman-Ford după cei doi inventatori ai săi, utilizează ca şi criterii de selectare a rutei optime distanţa dintre reţele.

Metrica distanţei este adesea simplă, uzual numărul de “hop-uri” sau rutere între cele două reţele.

Ruterele care utilizează acest tip de protocol gestionează informaţiile despre distanţa la fiecare dintre reţelele cunoscute într-o tabelă. Ele trimit, în mod regulat, această tabelă fiecărui ruter cu care este conectat direct.

Aceste rutere îşi actualizează propriile tabele şi le trimit vecinilor lor. Aceasta face ca informaţiile despre distanţe să se propage peste inter-reţea, astfel încât, în final, fiecare ruter să dispună de informaţii despre toate ruterele din inter-reţea.

Protocoalele de rutare bazate pe vectorul de distanţă sunt oarecum limitate în capacitatea de alegere a celei mai bune rute. Mai au şi probleme în modul de funcţionare.Principalul lor avantaj constă în simplitate şi îndelungata lor folosire (acumularea experienţei de exploatare).

• Algoritmul de rutare bazat pe starea conexiunii – link state (Shortest Path First)

Algoritmul bazat pe starea conexiunii (link state) selectează rutele pe baza utilizării dinamice a metodei “Shortest Path First”.

O legătură (link) reprezintă o interfaţă a unui router.

Starea legăturii (link state) reprezintă o descriere a acestei interfeţe.

Fiecare router învaţă despre fiecare router din AS şi ‘inundă’(flood) AS-ul cu informaţii despre starea legăturilorconectate direct la fiecare router din AS. Protocolul gestionează o “hartă” ce descrie topologia curentă a inter-reţelei, creată pe baza informaţiilor despre starea tuturor legăturilor (link state). Această hartă este actualizată regulat prin testarea posibilităţii de a accesa diferite părţi ale inter-reţelei şi prin schimbul de informaţii cu alte rutere.

Determinarea celei mai bune căi (shortest path) poate fi făcută pe baza unor metrici diferite care indică adevăratul cost al trimiterii unei datagrame pe o anumită rută.

Algoritmii bazaţi pe starea conexiunii sunt mult mai puternici decât cei bazaţi pe vectorul de distanţă convergenţă rapidă.

Ei se adaptează dinamic la condiţiile în modificare ale inter-reţelei şi, de asemeni, permit selectarea rutelor pe baza unor metrici mult mai reale decât numărul de hop-uri, dar sunt mult mai complicat de instalat şi utilizează mai multe resurse pentru procesare decât cele bazate pe vectorul de distanţă, care au şi avantajul de a fi fost experimentate foarte mult timp. • Algoritmi hibrizi de rutare

Există şi protocoale care combină cele două tipuri de algoritmi şi altele care utilizează algoritmi complet diferiţi.De exemplu, BGP (Border Gateway Protocol) utilizează un algoritm “path-vector”, similar algoritmului bazat pe vector de distanţă, dar comunică informaţii de rutare mult mai detaliate, ce includ unele atribute ale protocoalelor bazate pe vectorul de distanţă şi starea conexiunii, dar este mai mult decât o combinaţie a celor două.

Protocoale de rutare statice şi dinamice

Altă clasificare a protocoalelor de rutare este pe baza tipului acestora:

statice – tabelele de rutare sunt completate manual (rămân statice) de către administratorul de reţea. Se utilizează la configurarea ruterelor.

dinamice – învăţarea / actualizarea tabelelor de rutare se face dinamic, cu ajutorul protocoalelor de rutare → de fapt, toate protocoalele sunt dinamice. Nu există “static routing protocol”.

Dacă un router devine indisponibil, aceasta se transmite celorlalte routere cu care comunică şi foarte repede se asigură consistenţa tabelelor de rutare

4. PROTOCOALE DE RUTARE UZUALE

PROTOCOALE INTERIOARE (fac schimb de informaţii între ruterele din acelaşi sistem autonom):

• RIP (Routing Internet Protocol) - este unul dintre cele mai răspândite protocoale IGP în reţele interne şi mai puţin pe Internet.Asigură schimbul de informaţii de rutare, astfel încât routerele să-şi poată modifica dinamic informaţiile despre conexiunile la reţele – care reţea poate fi accesată, de care router şi cât de departe este (numărul de hop-uri)Deşi este încă activ, este considerat ‚obsolete’ de către protocoalele ’link state’ OSPF şi EIGRP.RIP, dezvoltat în 1969, ca parte a ARPANET, utilizează algoritmul bazat pe ‚distance vector’ .Metrica utilizată: numărul de hop-uri (numărul maxim permis: 15)

RIP va alege calea cea mai bună – cea cu 1 nod, chiar dacă cealaltă cale este mai rapidă, fie datorită unei legături de viteză mare, fie datorită unei reţele mai puţin congestionate.

• IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) – este un protocol de rutare bazat pe vectorul de distanţă, proprietate CISCO. A fost creat pentru a elimina limitările RIP în reţelele mari. Metrica include: lărgimea de bandă, încărcarea, întârzierile, fiabilitatea. Numărul maxim de hop-uri: 255

Fiecare router RIP transmite la fiecatre 30 sec (valoare implicită) toate informaţiile de actualizare generează un volum mare de trafic !Rulează deasupra nivelului de reţea şi utilizează UDP portul 520 pentru a-şi transmite informaţiile de rutare.Există RIPv1 şi RIPv2 (1994) – ambele utilizează rutarea pe baza adreselor IP, dar RIPv2 proiectat pentru CIDR (îşi menţine compatibilitatea cu RIPv1).Dezavamtaj: convergenţă lentă la apariţia unei modificări în structura reţelei

• OSPF (Open Shortest Path First) - este ‚link state’ şi utilizează un cunoscutul algoritm (pentru rutare) Dijkstra pentru calculul arborelui căilor celor mai scurte.

Utilizează ca metrică costul: ia în considerare starea reţelei: congestiile, dacă există legături întrerupte,

asigurând convergenţă rapidă Este succesorul lui RIP pe Internet.Baza de date ‚Link state’ este construită pentru topologia reţelei, care este identică pentru toate destinaţiile.

OSPFv3 suportă Ipv6

• EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol ) –

tot proprietate CISCO, utilizează ‚link state’. Datele colectate sunt memorate în trei tabele:

- Tabela vecinilor – stochează informaţii despre interfeţele dispozitivelor direct conectate

- Tabela topologiilor – memorează graful aferent topologiei reţelei (este componenta ‚link state’)

- Tabela de rutare – morează ‚shortest path’ la toate reţelelede destinaţie (componenta ‚distance vector’)

PROTOCOALE EXTERIOARE (lucrează între ruterele din diferite sisteme autonome):

EGP (External Gateway Protocol)

care era utilizat pentru conectarea backbone-ului Internetului, declarat acum ‚obsolete’ şi treptat înlocuit cu BGP. protocol proprietate CISCO – poate fi utilizat numai cu infrastructură CISCO asigură convergenţă rapidă şi header suplimentar de dimensiune mică reprezintă o alegere bună pentru majoritatea reţelelor, acceptând şi majoritatea suitelor de protocoale: TCP/IP, SPX/IPX; Apple Talk calculează dinamic “calea cea mai bună”pe baza: lăţimii de bandă, întârzierilor, disponibilităţii legăturii,congestiilor de reţea este mai uţor de configurat decât OSPF este potrivit pentru reţele de dimensiune mare

BGP (Border Gateway Protocol)

• este utilizat pe routerele de pe magistralele (backbone) Internet-ului

• este cel mai complex protocol de routare – poate lucra cu sute de mii de routere – are tabele de rutare de dimensiune foarte mare dificil de configurat

• menţine tabelele de adrese de reţele IP sau „prefixe”, care definesc reţelele ce pot fi accesate între sistemele autonome. Este un protocol ce utilizează algoritmul bazat pe „vector de distanţă”. Suportă CIDR şi utilizează agregarea rutelor pentru scăderea dimensiunii tabelelor de rutare. există BGP (Border Gateway Protocol) – BGPv4 (2002)

BGP asigură rutarea descentralizată Internetul = sistem descentralizat.