Поэтому все входящие пакеты передаются в какую-то из этих двух точек, даже если они не являются адресатами. Изначальная таблица маршрутизации А показана на илл. 5.2 с пометкой «в начале».

В маршрутизаторе A пакеты 1, 2 и 3, поступившие на вход, кратковременно сохраняются для верификации контрольной суммы. Затем в соответствии с таблицей А каждый пакет отправляется в новом фрейме по исходящему соединению на маршрутизатор С. Далее пакет 1 уходит на Е, затем — на F. После этого он передается внутри фрейма по LAN на хост Н2. Пакеты 2 и 3 следуют по тому же маршруту.

Илл. 5.2. Маршрутизация внутри дейтаграммной сети

Однако с пакетом 4 происходит нечто другое. После прибытия на А он пересылается на маршрутизатор В, несмотря на то что его адресат — F, как и у первых трех пакетов. По какой-то причине А решил отправить пакет 4 по новому пути. Может быть, в результате отправки трех пакетов на линии ACE возник затор и маршрутизатор решил обновить свою таблицу (она показана на илл. 5.2 с пометкой «в конце»). Алгоритмы, управляющие таблицами и принимающие решения о выборе маршрута, называются алгоритмами маршрутизации (routing algorithms). Им будет уделено основное внимание в этой главе. Как мы увидим, существует несколько типов таких алгоритмов.

Протокол IP, составляющий основу всего интернета, является наиболее ярким примером сетевой службы без установления соединения. Каждый пакет содержит IP-адрес назначения, по которому маршрутизатор осуществляет индивидуальную отправку пакета. В пакетах IPv4 используются адреса длиной 32 бита, а в IPv6 — 128 бит. Далее мы подробно обсудим IP и его версии.

5.1.4. Реализация службы с установлением соединения

Службе, ориентированной на установление соединения, нужна сеть виртуального канала. Давайте разберемся, как она работает. Идея виртуальных каналов состоит том, чтобы не выбирать новый маршрут для каждого пакета, как на илл. 5.2. Вместо этого путь от источника до адресата выбирается в процессе установления соединения и хранится в специальных таблицах, встроенных в маршрутизаторы. Один и тот же маршрут используется для всего трафика, проходящего через данное соединение. Именно так работает телефонная система. Когда соединение разрывается, виртуальный канал прекращает свое существование. При использовании службы с установлением соединения каждый пакет включает в себя идентификатор виртуального канала.

В качестве примера рассмотрим ситуацию, изображенную на илл. 5.3. Хост Н1 установил соединение с хостом Н2. Это соединение запоминается и становится первой записью во всех таблицах маршрутизации. Так, первая строчка таблицы маршрутизатора А говорит о том, что если пакет с идентификатором соединения 1 пришел с хоста Н1, то его нужно направить на С с идентификатором соединения 1. Точно так же первая запись С направляет пакет на Е все с тем же идентификатором соединения 1.

Илл. 5.3. Маршрутизация в сети виртуального канала

Теперь выясним, что произойдет, если хост Н3 захочет установить соединение с Н2. Он выбирает идентификатор соединения 1 (на данный момент это первое и единственное соединение) и просит сеть установить виртуальный канал. Таким образом, в таблице появляется вторая запись. Обратите внимание, что здесь возникает конфликт: А может отличить пакеты соединения 1, пришедшие с Н1, от пакетов соединения 1, пришедших с Н3, но С такой возможности не имеет. Поэтому А присваивает новый идентификатор соединения исходящему трафику и тем самым создает второе соединение. Для предотвращения таких конфликтов маршрутизаторы получили возможность менять идентификаторы соединения в исходящих пакетах.

Одним из примеров сетевой службы, ориентированной на соединение, является мультипротокольная коммутация по меткам (MultiProtocol Label Switching, MPLS). Она используется в сетях интернет-провайдеров; при этом IP-пакеты получают MPLS-заголовок, содержащий 20-битный идентификатор соединения или метку. Если провайдер устанавливает длительное соединение для передачи крупных объемов данных, MPLS часто остается невидимым для клиентов. Однако в последнее время эта служба применяется все чаще для обеспечения необходимого уровня QoS и решения других задач, связанных с управлением трафиком на уровне провайдера. К обсуждению MPLS мы еще вернемся далее в этой главе.

5.1.5. Сравнение сетей виртуальных каналов и дейтаграммных сетей

Как виртуальные каналы, так и дейтаграммы имеют своих сторонников и противников. Попробуем обобщить аргументы обеих сторон. Основные вопросы перечислены на илл. 5.4, хотя для каждого из этих пунктов наверняка можно найти контраргументы.

Проблема

Дейтаграммы

Виртуальные каналы

Установка канала

Не требуется

Требуется

Адресация

Каждый пакет содержит полный адрес отправителя и получателя

Каждый пакет содержит короткий номер виртуального канала

Информация о состоянии

Маршрутизаторы не содержат информации о состоянии

Каждый виртуальный канал требует места в таблице маршрутизатора

Маршрутизация

Маршрут каждого пакета выбирается независимо

Маршрут выбирается при установке виртуального канала. Каждый пакет следует по этому маршруту

Эффект от выхода маршрутизатора из строя

Никакого, кроме потерянных пакетов

Все виртуальные каналы, проходившие через отказавший маршрутизатор, прекращают существование

QoS

Трудно реализовать

Легко реализуется при наличии достаточного количества ресурсов для каждого виртуального канала

Борьба с перегрузкой

Трудно реализовать

Легко реализуется при наличии достаточного количества ресурсов для каждого виртуального канала

Илл. 5.4. Сравнение виртуальных каналов и дейтаграмм

Выбирая между виртуальными каналами и дейтаграммами, нужно сопоставить их плюсы и минусы в ряде вопросов. Во-первых, существует компромисс между временем установки соединения и временем обработки адреса. Виртуальный канал требует определенных временных затрат на установку, однако в результате это существенно упрощает обработку пакетов данных. Чтобы понять, куда отправить пакет, маршрутизатору требуется всего лишь обратиться к таблице, используя номер канала. Дейтаграммная сеть не требует установки, но адрес получателя определяется с помощью более сложной процедуры поиска.

В связи с этим возникает другая проблема: адреса назначения в дейтаграммных сетях — глобальные, поэтому они намного длиннее, чем номера линий в сетях виртуальных каналов. При сравнительно небольшом размере пакетов включение полного адреса в каждый из них может привести к существенным издержкам, а следовательно, к снижению пропускной способности.

Еще одна проблема — объем памяти, выделяемый маршрутизатором для хранения таблиц. В дейтаграммной сети должно быть предусмотрено место для любого возможного адреса получателя, тогда как в системе виртуальных каналов — только для каждого канала. Но такое преимущество на деле обманчиво, поскольку пакеты, необходимые для установки соединения, используют адреса назначения так же, как и дейтаграммы.

Виртуальные каналы обладают некоторыми преимуществами в обеспечении QoS и предотвращении заторов в сети, так как ресурсы (например, буфер, пропускная способность, центральный процессор) можно зарезервировать заранее, во время установки соединения. Как только пакеты начнут приходить, необходимая пропускная способность и мощность маршрутизатора будут предоставлены. В дейтаграммной сети предотвращение заторов реализовать значительно сложнее.

В