План-конспект урока по теме Проблемы сопряжения сетей с различной архитектурой

Этапы урока

Содержание этапов урока

1. Организационный момент.

Цели для преподавателя:

- создать условия для возникновения у обучающихся внутренней потребности включения в учебную деятельность;

- способствовать повышению мотивации учения.

Цели для обучающихся:

- включиться в учебную деятельность;

- подготовиться к восприятию нового учебного материала.

Цели этапа занятия достигаются посредством:

-объявления темы занятия и постановки общих целей;

- разъяснения роли изучаемого содержания в процессе формирования конкретных общих и профессиональных компетенций;

- раскрытия значения изучаемого содержания для будущей профессиональной деятельности;

1. Вводный инструктаж

1.1. Проверка наличия обучающихся. Повторение техники безопасности в кабинете информатики.

Начинаем занятие. Отметим отсутствующих на занятие и проверим вашу готовность к занятию на наличие тетрадей.

1.2. Целевая установка на урок.

Сегодня у нас новая тема «Проблемы сопряжения сетей с различной архитектурой, включая стек протоколов и адресацию на сетевом уровне. Задачи сетевого уровня как тунеллирование, фрагментация, пакетная фильтрация», запишите тему занятия в тетрадях.

Обучающиеся записывают тему занятия.

Эта тема имеет большое профессиональное значение. Она направлена на формирование такой компетенции как «организовывать собственную деятельность выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество».

2. Изучение нового учебного материала (способов действий).

Цели для преподавателя:

- обеспечить понимание планируемого результата деятельности, основных путей его достижения;

-способствовать развитию познавательных способностей обучающихся, посредством организации самостоятельной работы.

Цели для обучающихся:

- познакомиться с проблема сопряжения сетей с различной архитектурой

- рассмотреть стек протоколов

- рассмотреть адресацию на сетевом уровне

- познакомиться с задачами сетевого уровня

Цели этапа занятия достигаются посредством:

- обеспечения понимания планируемого результата деятельности, основных путей его достижения;

- определения критериев, позволяющих обучающимся самостоятельно определять степень достижения запланированного результата;

- организации активной самостоятельной деятельности обучающихся по написанию лекции во время занятия.

2. Теоретическая часть.

Сначала рассмотрим базовый алгоритм, потом некоторые его усовершенствования. СК-пакеты распространяются методом лавины, т.е. СК-пакет рассылается всем соседям, те, в свою очередь, своим соседям, и т.д. Однако, чтобы не потерять контроль и не вызвать неограниченное дублирование СК-пакетов, каждый маршрутизатор ведет счетчик последовательных номеров СК-пакетов, которые он сгенерировал. Все маршрутизаторы запоминают пары «маршрутизатор, последовательное число», которые они уже встречали среди полученных СК-пакетов. Если поступивший СК-пакет содержит пару, которая еще не встречалась маршрутизатору, то он отправляет этот СК-пакет всем своим соседям, за исключением того, от которого он его получил. Если он уже встречал такой пакет, то пакет сбрасывается и никуда не дублируется.
У этого алгоритма есть несколько проблем, но все они разрешимые. Первая: размер поля последовательных номеров пакетов. Если оно будет недостаточно длинное, то его переполнение приведет к повтору номеров, что, в свою очередь, приведет к некорректной работе всего алгоритма. Решением является достаточно большое поле, например, 32-разрядное. При таком поле, если обмен СК-пакетами происходит раз в секунду, то потребуется 137 лет, чтобы возникло переполнение.
Вторая проблема: если маршрутизатор «упал» по какой-либо причине и потерял последовательность использованных последовательных номеров, то неясно, как ее восстановить.
Третья – если в результате передачи возникнет ошибка в одном бите, например, вместо 4 получим пакет с номером 65540, то все пакеты с 5 по 65540 будут сбрасываться как устаревшие, поскольку текущий номер - 65540.
Для решения этих проблем используется поле «возраст» СК-пакета. Там устанавливается некоторая величина, которая уменьшается периодически на единицу каждую секунду. Когда она достигнет нуля, пакет сбрасывается.
В целях сокращения числа рассылаемых СК-пакетов, когда такой пакет поступает, его не сразу дублируют и отправляют. Сначала его помещают в специальную область задержки. Там он находится некоторое время. Если за это время придет другой пакет от того же источника, то пакеты сравниваются. Если нет различий между ними, то вновь пришедший сбрасывается, если есть, то последний пришедший дублируется и отправляется другим, а первый сбрасывается. Все СК-пакеты передаются с уведомлением.
Структура данных, используемая маршрутизатором В из примера на рисунке 5-14 (a), показана на рисунке 5-15. Каждая строка в этой таблице соответствует последнему поступившему, но не до конца обработанному СК-пакету. В этой таблице для каждой линии маршрутизатора В указано в виде флага, был ли соответствующий СК-пакет отправлен и подтвержден. Флаг отправления означает, что соответствующий СК-пакет должен быть послан по указанной линии. Флаг уведомления указывает на то, что по соответствующей линии должно прийти подтверждение.
Рисунок 5-15. Буфер пакетов для маршрутизатора В из рисунка 5-14

На рисунке 5-15 СК-пакет от А прибыл и должен быть переслан в С и F и подтвержден по А. Аналогичная ситуация с СК-пакетом от F. Существенно отличная ситуация с СК-пакетом от Е. От Е поступило два пакета. Один - по маршруту ЕАВ, другой – по маршруту EFB. Следовательно, СК-пакет должен быт послан только к С, а вот уведомления должны быть посланы и А, и F. Наличие дубликатов СК-пакетов легко распознать по состоянию флагов отправки.
Когда маршрутизатор получил полный комплект СК-пакетов, он может построить топологию транспортной среды и, например, локально запустить алгоритм Дейкстры для вычисления наикратчайшего пути.
В системе, где есть n маршрутизаторов с k линий у каждого, каждый маршрутизатор должен иметь достаточно памяти, чтобы хранить необходимую информацию о сети. При больших n эта величина может стать существенной. Кроме этого, в сетях, где число маршрутизаторов достигает десятков или сотен тысяч, проблемы, вызванные сбоем одного из них, могут оказаться весьма серьезными. Например, если из-за сбоя в маршрутизаторе послан неправильный СК-пакет или неправильно оценено состояние канала, то в дальнейшем это может привести к проблемам.
Маршрутизация по состоянию каналов широко используется в реальных сетях. Например, в протоколе OSPF, который мы будем подробно рассматривать позже. Другим важным примером может служить протокол IS-IS, который был изначально предложен фирмой DEC, а позже адаптирован ISO.

Иерархическая маршрутизация.

По мере роста транспортной среды размер таблиц, т.е. затраты памяти, время процессора на обработку этих таблиц, пропускная способность каналов, затрачиваемая на передачу служебной информации, может превысить разумные пределы. Таким образом, дальнейший рост сети, когда каждый маршрутизатор знает все о каждом другом маршрутизаторе, будет невозможен. Решение этой проблемы – иерархия сетей, подобно иерархии коммутаторов в телефонной сети.
На рисунке 5-16 (а) приведен пример сети с двухуровневой иерархией из пяти регионов. Здесь каждый из регионов соединен с двумя другими. На рисунке 5-16 (b) показана полная таблица маршрутизации для маршрутизатора 1А без иерархии. На рисунке 5-16 (с) – та же таблица при двухуровневой иерархии. Нетрудно видеть, что таблица маршрутизации во втором случае резко сократилась.

Рисунок 5-16. Иерархическая маршрутизация

Однако за эту экономию приходится платить эффективностью маршрутизации. Например, наилучший маршрут от 1А к 5С проходит через регион 2, однако в данном случае он пройдет через регион 3, поскольку большинство машин в регионе 5 действительно эффективнее достигнуть через регион 3.
При построении иерархии возникает сразу несколько вопросов. Один из них: сколько уровней должно быть в иерархии при заданном размере сети? Например, если наша транспортная среда содержит 920 маршрутизаторов, то без иерархии таблица каждого будет иметь 920 строк. Если транспортную среду разбить на 40 регионов, то размер таблиц будет равен 23 строки для маршрутизации внутри региона плюс 40 для маршрутизации между регионами. Если использовать трехуровневую иерархию и объединить регионы в кластеры, то при 5 кластерах, по 8 регионов с 23 маршрутизаторами в каждом у таблицы будет 23 входа для внутрикластерной маршрутизации, плюс 7 входов для межкластерной, плюс 5 входов для межрегиональной маршрутизации. Итого 35 входов.
Клейнрок и Камоун показали, что оптимальное число уровней иерархии в транспортной среде при N узлах будет равняться lnN, при e*lnN строках в таблице маршрутизатора.
Маршрутизация для мобильного узла.

На рисунке 5-17 показана модель WAN с мобильным узлом. Всех пользователей мы можем разделить на две большие группы. Стационарные - это большая группа, их компьютеры подключены к сети стационарными средствами (проводами, кабелями) и редко меняют свое место положение. Другая группа постоянно меняет свое местоположение и стремится поддерживать связь с сетью. Этих пользователей мы будем называть мобильными.
Рисунок 5-17. Модель WAN с мобильным узлом

Предполагается, что в сети каждый пользователь имеет постоянное домашнее местоположение, которое никогда не меняется. Проблема маршрутизации в этих условиях заключается в том, чтобы посылать пакеты мобильному пользователю через его домашнее местоположение. При этом то, где находится сам пользователь, не имеет значения. Вся WAN на рисунке 5-17 разбивается на области. В каждой области есть агент визитеров, который знает о всех мобильных пользователях в своей области. В свою очередь, в каждой области есть домашний агент, который знает обо всех стационарных пользователях в своей области, которые в настоящий момент путешествуют.
Как только мобильный узел подключается к местной, локальной сети, он регистрируется у агента визитеров. Эта процедура примерно выглядит так:

1. Периодически агент визитеров рассылает по своей области пакет, где указано местоположение этого агента и его адрес. Если мобильный узел, подключившись к сети, долго не видит такого пакета, он рассылает свой пакет с просьбой агенту визитеров объявить свои координаты.

1. Мобильный узел регистрируется у агента визитеров, указывая свое текущее местоположение, домашнее местоположение и определенную информацию, связанную с безопасностью передаваемых данных.

1. Агент визитеров обращается через сеть к домашнему агенту домашнего местоположения визитера, указывая, что один из его пользователей сейчас находится в его области, передавая конфиденциальную информацию, которая должна убедить домашнего агента, что это действительно его пользователь пытается соединиться с ним.

1. Домашний агент изучает конфиденциальные данные, время связи. Если эти данные соответствуют той информации, что есть у домашнего агента об этом пользователе, он дает добро на связь.

1. Агент визитеров, получив подтверждение от домашнего агента, заносит данные о мобильном узле в свои таблицы и регистрирует его.

В идеале пользователь, покидая область визита, должен закрыть свою временную регистрацию. Однако, как правило, закончив сеанс связи, пользователь просто выключает свой компьютер и все. Поэтому, если по прошествии некоторого времени пользователь не объявился вновь, агент визитеров считает его покинувшим область.
Здесь мы обрисовали лишь в общих чертах основную схему работы. Конкретных схем существует множество, которые различаются разными аспектами. Прежде всего тем, как распределяется работа между маршрутизаторами и хостами, какой уровень в стеке протоколов хоста отвечает за реализацию соответствующих протоколов. Во-вторых, есть схемы, где маршрутизаторы запоминают информацию о местонахождения мобильных узлов и могут вмешиваться в диалог между агентом визитеров и домашним агентом, по-разному маршрутизируя трафик. В некоторых схемах мобильный узел получает некоторый уникальный адрес, в других это адрес агента, который отвечает за маршрутизацию всего трафика мобильных узлов. Кроме этого, схемы различаются разным уровнем безопасности передаваемой информации.
Маршрутизация при вещании.

В некоторых приложениях возникает потребность переслать одно и то же сообщение всем машинам. Например, прогноз погоды, биржевые сводки, новости и т.д. Такой режим передачи называется вещанием. Есть несколько способов реализации такого режима.
Первый способ: источник знает, кому надо послать, и генерирует столько сообщений, сколько получателей. Это одно из самых плохих решений. Оно не требует никаких специальных средств, однако весьма накладно. Тратится не только пропускная способность каналов, но и память – ведь где-то кому-то надо хранить весь лист рассылки.
Метод лавины – другое решение. Однако, как мы уже видели, он затратен для каналов «точка-точка». Он слишком сильно расходует пропускную способность.
Третий подход – маршрутизация множественной доставки. Здесь каждый пакет должен иметь либо лист рассылки, либо карту рассылки. Каждый маршрутизатор, получив такой пакет, отправляет и дублирует его в соответствии с картой рассылки.
Четвертый подход основан на использовании дерева захода, либо любого другого подходящего дерева связей. Дерево захода позволяет избежать циклов и ненужного дублирования пакетов. Каждый маршрутизатор дублирует пакет вдоль линий, соответствующих дереву захода, кроме той, по которой пакет пришел. В этом подходе очень рационально используется пропускная способность каналов, генерируется абсолютный минимум пакетов при рассылке. Однако каждый маршрутизатор где-то должен иметь дерево захода, соответствующее случаю.
Пятый подход основан на неявном использовании дерева связей. Когда пакет поступает, маршрутизатор проверяет: если он поступил по линии, которая используется для отправления пакетов источнику вещательного пакета, то вещательный пакет дублируется и рассылается по всем линиям, кроме той, по которой пакет пришел. Если нет, то он сбрасывается.
Этот метод называется пересылкой вдоль обратного пути. На рисунке 5-19 показан пример работы этого алгоритма.

Маршрутизация при групповой передаче.

Этот вид передачи используют, когда надо обеспечить взаимодействие группы взаимосвязанных процессов, разбросанных по сети. Такие ситуации часто встречаются в распределенных базах данных. Если группа велика по сравнению с размерами сети, то можно воспользоваться методами вещания. Однако если ее размер мал относительно размера всей сети, то такой подход будет неэкономичен. Кроме того, если рассылаемая в группе информация конфиденциальная, то алгоритмы вещания не подходят. Этот вид маршрутизации называют групповой маршрутизацией.
В случае обмена информации в группе, кроме алгоритма групповой маршрутизации, нужны алгоритмы управления группой, которые должны обеспечивать средства для реконфигурации группы: включение новых членов, удаление старых и т.п. Однако эти проблемы не затрагивают алгоритм групповой маршрутизации, поэтому мы их здесь рассматривать не будем.
Алгоритм групповой маршрутизации, как правило, основан на дереве связей. Каждый маршрутизатор в транспортной среде вычисляет дерево связей, охватывающее все другие маршрутизаторы.
Для обрезания дерева связей используются разные алгоритмы. Наиболее простой основан на применении алгоритма маршрутизации на основе состоянии канала. В этом случае каждый маршрутизатор имеет полную конфигурацию транспортной среды. Сокращение дерева связей начинается от вершин – членов группы и разворачивается в сторону корня, удаляя все маршрутизаторы, которые не ведут к членам группы. Существуют и другие подходы.

4. Задание на дом.

Цели для преподавателя:

- провести анализ и оценку успешности достижения цели урока, перспектив последующей работы;

- мобилизовать обучающихся на рефлексию результатов учебной деятельности;

- поставить цели самостоятельной работы для обучающихся (что должны сделать обучающиеся в ходе выполнения домашнего задания).

Цели для обучающихся:

- уяснить цели и содержание домашнего задания.

Цели этапа урока достигаются посредством:

- достижения открытости обучающихся в осмыслении своих действий и самооценки;

- определения для обучающихся содержания и объема домашнего задания.

4.Заключительная часть. Подведение итогов, выставление отметок.

Сегодня мы с вами: познакомились с проблема сопряжения сетей с различной архитектурой, рассмотрели стек протоколов, рассмотрели адресацию на сетевом уровне, познакомились с задачами сетевого уровня

Задание. К следующему занятию выучите лекцию. Составить инструкционную технологическую карту.