روتر چیست و چگونه کار می کند؟
روتر
اینترنت یکی از شاهکارهای بشریت در زمینه ارتباطات است . با ایجاد زیر ساخت مناسب ارتباطی ، کاربران موجود در اقصی نقاط دنیا قادر به ارسال نامه های الکترونیکی ، مشاهده صفحات وب ، ارسال و دریافت فایل های اطلاعاتی در کمتر از چند ثانیه می باشند. شبکه ارتباطی موجود با بکارگیری انواع تجهیزات مخابراتی، سخت افزاری و نرم افزاری ، زیر ساخت مناسب ارتباطی را برای عموم کاربران اینترنت فراهم آورده است . یکی از عناصر اصلی و مهم که شاید اغلب کاربران اینترنت آن را تاکنون مشاهده ننموده اند ، روتر است . روترها کامپیوترهای خاصی هستند که پیام های اطلاعاتی کاربران را با استفاده از هزاران مسیر موجود به مقاصد مورد نظر هدایت می نمایند.
نحوه ارسال پیام
برای شناخت عملکرد روترها در اینترنت با یک مثال ساده شروع می نمائیم . زمانیکه برای یکی از دوستان خود ، یک E-mail را ارسال می دارید ، پیام فوق به چه صورت توسط دوست شما دریافت می گردد ؟ نحوه مسیر یابی پیام فوق به چه صورت انجام می گیرد که فقط کامپیوتر دوست شما در میان میلیون ها کامپیوتر موجود در دنیا ، آن را دریافت خواهد کرد. ؟ اکثر عملیات مربوط به ارسال یک پیام توسط کامپیوتر فرستنده و دریافت آن توسط کامپیوتر گیرنده ، توسط روتر انجام می گیرد.روترها دستگاههای خاصی می باشند که امکان حرکت پیام ها در طول شبکه را فراهم می نمایند.
بمنظور آگاهی از عملکرد روتر ، سازمانی را در نظر بگیرید که دارای یک شبکه داخلی و اختصاصی خود است . کارکنان سازمان فوق هر یک با توجه به نوع کار خود از شبکه استفاده می نمایند. در سازمان فوق تعدادی گرافیست کامپیوتری مشغول بکار هستند که بکمک کامپیوتر طرح های مورد نظر را طراحی می نمایند. زمانیکه یک گرافیست فایلی را از طریق شبکه برای همکار خود ارسال می دارد ، بدلیل حجم بالای فایل ارسالی ، اکثر ظرفیت شبکه اشغال و بدنبال آن برای سایر کاربران ، شبکه کند خواهد شد. علت فوق ( تاثیر عملکرد یک کاربر بر تمام عملکرد شبکه برای سایر کاربران ) به ماهیت شبکه های اترنت برمی گردد. در شبکه های فوق هر بسته اطلاعاتی که توسط کاربری ارسال می گردد ، برای تمام کامپیوترهای موجود در شبکه نیز ارسال خواهد شد. هر کامپیوتر آدرس بسته اطلاعاتی دریافت شده را بمنظور آگاهی از مقصد بسته اطلاعاتی بررسی خواهد کرد. رویکرد فوق در رفتار شبکه های اترنت ، طراحی و پیاده سازی آنان را ساده می نماید ولی همزمان با گسترش شبکه و افزایش عملیات مورد انتظار ، کارآئی شبکه کاهش پیدا خواهد کرد. سازمان مورد نظر ( در مثال فوق ) برای حل مشکل فوق تصمیم به ایجاد دو شبکه مجزا می گیرد. یک شبکه برای گرافیست ها ایجاد و شبکه دوم برای سایر کاربران سازمان در نظر گرفته می شود. بمنظور ارتباط دو شبکه فوق بیکدیگر و اینترنت از یکدستگاه روتر استفاده می گردد.
روتر، تنها دستگاه موجود در شبکه است که تمام پیامهای ارسالی توسط کامپیوترهای موجود در شبکه های سازمان ، را مشاهده می نماید. زمانیکه یک گرافیست، فایلی با ظرفیت بالا را برای گرافیست دیگری ارسال می دارد ، روتر آدرس دریافت کننده فایل را بررسی و با توجه به اینکه فایل مورد نظر مربوط به شبکه گرافیست ها در سازمان است ، اطلاعات را بسمت شبکه فوق هدایت خواهد کرد. در صورتیکه یک گرافیست اطلاعاتی را برای یکی از پرسنل شاغل در بخش مالی سازمان ارسال دارد ، روتر با بررسی آدرس مقصد بسته اطلاعاتی به این نکنه پی خواهد برد که پیام فوق را می بایست به شبکه دیگر انتقال دهد. بدین ترتیب روتر قادر به مسیریابی صحیح یک بسته اطلاعاتی و هدایت آن به شبکه مورد نظر شده است .
یکی از ابزارهائی که روتر از آن برای تعیین مقصد یک بسته اطلاعاتی استفاده می نماید ، ” جدول پیکربندی ” است . جدول فوق شامل مجموعه اطلاعاتی بشرح ذیل است :
§ اطلاعاتی در رابطه با نحوه هدایت اتصالات به آدرس های مورد نظر
§ اولویت های تعریف شده برای هر اتصال
§ قوانین مربوط به تبین ترافیک در حالت طبیعی وشرایط خاص
جدول فوق می تواند ساده ویا شامل صدها خط برنامه در یک روترهای کوچک باشد. در روترهای بزرگ جدول فوق پیچیده تر بوده بگونه ای که قادر به عملیات مسیریابی در اینترنت باشند. یک روتر دارای دو وظیفه اصلی است :
§ تضمین عدم ارسال اطلاعات به محلی که به آنها نیاز نیست
§ تضمین ارسال اطلاعات به مقصد صحیح
با توجه به وظایف اساسی فوق ، مناسبترین محل استفاده از یک روتر، اتصال دو شبکه است . با اتصال دو شبکه توسط روتر ، اطلاعات موجود در یک شبکه قادر به ارسال در شبکه دیگر و بالعکس خواهند بود. در برخی موارد ترجمه های لازم با توجه به پروتکل های استفاده شده در هریک از شبکه ها ، نیز توسط روتر انجام خواهد شد. روتر شبکه ها را در مقابل یکدیگر حفاظت و از ترافیک غیرضروری پیشگیری می نماید.( تاثیر ترافیک موجود در یک شبکه بر شبکه دیگر با فرض غیر لازم بودن اطلاعات حاصل از ترافیک در شبکه اول برای شبکه دوم ) . همزمان با گسترش شبکه ، جدول پیکربندی نیز رشد و توان پردازنده روتر نیز می بایست افزایش یابد. صرفنظر از تعداد شبکه هائی که به یک روتر متصل می باشند ، نوع و نحوه انجام عملیات در تمامی روترها مشابه است . اینترنت بعنوان بزرگترین شبکه کامپیوتری از هزاران شبکه کوچکتر تشکیل شده است. روترها در اتصال شبکه های کوچکتر در اینترنت دارای نقشی اساسی و ضروری می باشند.
ارسال بسته های اطلاعاتی
زمانیکه از طریق تلفن با شخصی تماسی برقرار می گردد ، سیستم تلفن، یک مدار پایدار بین تماس گیرنده و شخص مورد نظر ایجاد می نماید. مدار ایجاد شده می بایست مراحل متفاوتی را با استفاده از کابل های مسی ، سوئیچ ها ، فیبر های نوری ، ماکروویو و ماهواره انجام دهد. تمام مراحل مورد نظر بمنظور برپاسازی یک ارتباط پایدار بین تماس گیرنده و مخاطب مورد نظر در مدت زمان تماس ، ثابت خواهند بود. کیفیت خط ارتباطی مشروط به عدم بروز مشکلات فنی و غیرفنی در هر یک از تجهیزات اشاره شده ، در مدت برقراری تماس ثابت خواهد بود. با بروز هر گونه اشکال نظیر خرابی یک سوئیچ و .. خط ارتباطی ایجاد شده با مشکل مواجه خواهد شد.
اطلاعات موجود در اینترنت ( صفحات وب ، پیام های الکترونیکی و … ) با استفاده از سیستمی با نام Packet -switching network به حرکت در می آیند. در سیستم فوق ، داده های موجود در یک پیام و یا یک فایل به بسته های 1500 بایتی تقسیم می گردند.هر یک از بسته های فوق شامل اطلاعات مربوط به : آدرس فرستنده ، آدرس گیرنده ، موقعیت بسته در پیام و بررسی ارسال درست اطلاعات توسط گیرنده است. هر یک از بسته های فوق را Packet می گویند. در ادامه بسته های فوق با استفاده از بهترین و مناسبترین مسیر برای مقصد ارسال خواهند شد. عملیات فوق در مقایسه با سیستم استفاده شده در تلفن پیچیده تر بنظر می آید ، ولی در یک شبکه مبتنی بر داده دودلیل ( مزیت) عمده برای استفاده از تکنولوژی Packet switching وجود دارد :
§ شبکه قادر به تنظیم لود موجود بر روی هر یک از دستگاهها با سرعت بالا است( میلی ثانیه )
§ در صورت وجود اشکال در یک دستگاه ، بسته اطلاعاتی از مسیر دیگر عبور داده شده تا به مقصد برسد.
روترها که بخش اصلی شبکه اینترنت را تشکیل می دهند ، قادر به ” پیکربندی مجدد مسیر ” بسته های اطلاعاتی می باشند. در این راستا شرایط حاکم بر خطوط نظیر تاخیر در دریافت و ارسال اطلاعات و ترافیک موجود بر روی عناصر متفاوت شبکه بصورت دائم مورد بررسی قرار خواهند گرفت . روتر دارای اندازه های متفاوت است :
– در صورتیکه از امکان Internet connection sharing بین دو کامپیوتری که بر روی آنها ویندوز 98 نصب شده است استفاده گردد، یکی از کامپیوترها که خط اینترنت به آن متصل شده است بعنوان یک روتر ساده رفتار می نماید. در مدل فوق روتر، عملیات ساده ای را انجام می دهد. داده مورد نظر بررسی تا مقصد آن برای یکی از دو کامپیوتر تعیین گردد.
– روترهای بزرگتر نظیر روترهائی که یک سازمان کوچک را به اینترنت متصل می نمایند ، عملیات بمراتب بیشتری را نسبت به مدل قبلی انجام می دهند. روترهای فوق از مجموعه قوانین امنیتی حاکم بر سازمان مربوطه تبعیت و بصورت ادواری سیستم امنیتی تبین شده ای را بررسی می نمایند.
– روترهای بزرگتر مشابه روترهائی که ترافیک اطلاعات را در نقط حساس ومهم اینترنت کنترل می نمایند ، در هر ثانیه میلیون ها بسته اطلاعاتی را مسیریابی می نمایند.
در اغلب سازمانها و موسسات از روترهای متوسط استفاده می گردد. در این سازمانها از روتر بمنظور اتصال دو شبکه استفاده می شود. شبکه داخلی سازمان از طریق روتر به شبکه اینترنت متصل می گردد. شبکه داخلی سازمان از طریق یک خط اترنت ( یک اتصال 100base-T 9 ، خط فوق دارای نرخ انتقال 100 مگابیت در ثانیه بوده و از کابل های بهم تابیده هشت رشته استفاده می گردد ) به روتر متصل می گردد. بمنظور ارتباط روتر به مرکز ارائه دهنده خدمات اینترنت (ISP) می توان از خطوط اختصاصی با سرعت های متفاوت استفاده کرد. خط اختصاصی T1 یک نمونه متداول در این زمینه بوده و دارای سرعت 1.5 مگابیت در ثانیه است . برخی از موسسات با توجه به حساسیت و نوع کار خود می توانند از یک خط دیگر نیز بمنظور ارتباط روتر با ISP استفاده نمایند. خط فوق بصورت Backup بوده و بمحض بروز اشکال در خط اختصاصی ( مثلا” T1 ) می توان از خط دوم استفاده نمود. با توجه به اینکه خط فوق بصورت موقت و در مواقع اضطراری استفاده می شود ، می توان یک خط با سرعت پایین تر را استفاده کرد.
روترها علاوه بر قابلیت روتینگ بسته های اطلاعاتی از یک نقطه به نقطه دیگر ، دارای امکانات مربوط به پیاده سازی سیستم امنیتی نیز می باشند. مثلا” می توان مشخص کرد که نحوه دستیابی کامپیوترهای خارج از شبکه داخلی سازمان به شبکه داخلی به چه صورت است . اکثر سازمانها و موسسات دارای یک نرم افزار و یا سخت افزار خاص فایروال بمنظور اعمال سیاست های امنیتی می باشند. قوانین تعریف شده در جدول پیکربندی روتر از لحاظ امنیتی دارای صلابت بیشتری می باشند.
یکی از عملیات ادواری ( تکراری ) که هر روتر انجام می دهد ، آگاهی از استقرار یک بسته اطلاعاتی در شبکه داخلی است . در صورتیکه بسته اطلاعاتی مربوط به شبکه داخلی بوده نیازی به روت نمودن آن توسط روتر نخواهد بود. بدین منظور از مکانیزمی با نام Subnet mask استفاده می شود. subnet مشابه یک آدرس IP بوده و اغلب بصورت 255.255.255.0 است . آدرس فوق به روتر اعلام می نماید که تمام پیام های مربوط به فرستنده و یا گیرنده که دارای یک آدرس مشترک در سه گروه اول می باشند ، مربوط به یک شبکه مشابه بوده و نیازی به ارسال آنها برای یک شبکه دیگر وجود ندارد. مثلا” کامپیوتری با آدرس 15.57.31.40 پیامی را برای کامپیوتر با آدرس 15.57.31.52 ارسال می دارد. روتر که در جریان تمام بسته های اطلاعاتی است ، سه گروه اول در آدرس های فرستنده و گیرنده را مطابقت می نماید و بسته اطلاعاتی را بر روی شبکه داخلی نگه خواهد داشت .
آگاهی از مقصد یک پیام
روتر یکی از مجموعه دستگاههائی است که در شبکه استفاده می شود. هاب ، سوئیچ و روتر سیگنال هائی را ار کامپیوترها و یا شبکه ها دریافت و آنها را برای کامپیوترها و یا شبکه های دیگر ارسال می دارند. روتر تنها دستگاه موجود می باشد که در رابطه با مسیر یک بسته اطلاعاتی تصمیم گیری می نماید. بمنظور انجام عملیات فوق ، روترها می بایست نسبت به دو موضوع آگاهی داشته باشند : آدرس ها و ساختار شبکه .
زمانیکه توسط یکی از دوستانتان برای شما یک کارت تبریک سال نو ارسال می گردد ، از آدرسی مطابق زیر استفاده می نماید : ” تهران – خیابان ایران – کوچه شمیرانات – پلاک 110 ” آدرس فوق دارای چندین بخش بوده که به اداره پست مربوطه امکان پیدا نمودن آدرس فوق را خواهد داد. استفاده از کد پستی باعث سرعت در ارسال کارت تبریک و دریافت آن توسط شخص مورد نظر می نماید .ولی حتی در صورتیکه از کد پستی هم استفاده نشود ، امکان دریافت کارت تبریک با توجه به مشخص شدن شهرستان ، خیابان ، کوچه و پلاک نیز وجود خواهد داشت . آدرس فوق یک نوع آدرس منطقی است . آدرس فوق روشی را برای دریافت کارت تبریک ، مشخص می نماید. آدرس فوق به یک آدرس فیزیکی مرتبط خواهد شد.
هر یک از دستگاههای موجود که به شبکه متصل می گردند ، دارای یک آدرس فیزیکی می باشند. آدرس فوق منحصر بفرد بوده و توسط دستگاهی که به کابل شبکه متصل است ، در نظر گرفته خواهد شد. مثلا” در صورتیکه کامپیوتر شما دارای یک کارت شبکه (NIC) می باشد ، کارت فوق دارای یک آدرس فیزیکی دائمی بوده که در یک محل خاص از حافظه ذخیره شده است . آدرس فیزیکی که آدرس MAC )Media Access Control) نیز نامیده می شود ، دارای دو بخش بوده که هر یک سه بایت می باشند. اولین سه بایت ، شرکت سازنده کارت شبکه را مشخص می نماید . دومین سه بایت یک شماره سریال مربوط به کارت شبکه است .
کامپیوتر می تواند دارای چندین آدرس منطقی در یک لحظه باشد. وضعیت فوق در رابطه با اشخاص نیز صدق می کند. مثلا” یک شخص می تواند دارای آدرس پستی ، شماره تلفن ، آدرس پست الکترونیکی و … باشد. از طریق هر یک از آدرس های فوق امکان ارسال پیام برای شما وجود خواهد داشت . آدرس های منطقی در کامپیونر نیز مشابه سیستم فوق کار می کنند. در این راستا ممکن است از مدل های متفاوت آدرس دهی و یا پروتکل های مربوط به شبکه های متفاوت بطور همزمان استفاده گردد. در زمان اتصال به اینترنت ، شما دارای یک آدرس بوده که از پروتکل TCP/IP مشتق شده است . در صورتیکه دارای یک شبکه کوچک می باشید ، ممکن است از پروتکل NetBEUI مایکروسافت استفاده می نمائید. بهرحال یک کامپیوتر می تواند دارای چندین آدرس منطقی بوده که پروتکل استفاده شده قالب آدرس فوق را مشخص خواهد کرد.
آدرس فیزیکی یک کامپیونر می بایست به یک آدرس منطقی تبدیل گردد. از آدرس منطقی در شبکه برای ارسال و دریافت اطلاعات استفاده می گردد. برای مشاهده آدرس فیزیکی کامپیوتر خود می توانید از دستور IPCONFIG ( ویندوز 2000و XP) استفاده نماید.
پروتکل ها
اولین و مهمترین وظیفه روتر ، آگاهی از محلی است که می بایست اطلاعات ارسال گردند. اکثر روترها که یک پیام را برای شما مسیریابی می نمایند، از آدرس فیزیکی کامپیوتر شما آگاهی ندارند. روترها بمنظور شناخت اکثر پروتکل های رایج ، برنامه ریزی می گردند. بدین ترتیب روترها نسبت به فورمت هر یک از مدل های آدرس دهی دارای شناخت مناسب می باشند. ( تعداد بایت های موجود در هر بسته اطلاعاتی ، آگاهی از نحوه ارسال درست اطلاعات به مقصد و … ) روترها بعنوان مهمترین عناصر در ایجاد ستون فقرات اینترنت مطرح می باشند. روترها در هر ثانیه میلیون ها بسته اطلاعاتی را مسیریابی می نمایند. ارسال یک بسته اطلاعاتی به مقصد مورد نظر ، تنها وظیفه یک روتر نخواهد بود. روترها می بایست قادر به یافتن بهترین مسیر ممکن باشند. دریک شبکه پیشرفته هر پیام الکترونیکی به چندین بخش کوچکتر تقسیم می گردد. بخش های فوق بصورت مجزا ارسال و در مقصد مجددا” با ترکیب بخش های فوق بیکدیگر ، پیام اولیه شکل واقعی خود را پیدا خواهد کرد. بخش های اطلاعاتی اشاره شده Packet نامیده شده و هر یک ازآنان می توانند از یک مسیر خاص ارسال گردند. این نوع از شبکه ها را Packet-Switched network می گویند. در شبکه های فوق یک مسیر اختصاصی بین کامپیوتر فرستنده بسته های اطلاعاتی و گیرنده ایجاد نخواهد گردید. پیام های ارسالی از طریق یکی از هزاران مسیر ممکن حرکت تا در نهایت توسط کامپیوتر گیرنده ، دریافت گردد. با توجه به ترافیک موجود در شبکه ممکن است در برخی حالات عناصر موجود در شبکه لود بالائی را داشته باشند ، در چنین مواردی روترها با یکدیگر ارتباط و ترافیک شبکه را بهینه خواهند کرد. ( استفاده از مسیرهای دیگر برای ارسال اطلاعات باتوجه به وجود ترافیک بالا در بخش های خاصی از شبکه )
ردیابی یک پیام
در صورتیکه از سیستم عامل ویندوز استفاده می نمائید ، با استفاده از دستور Traceroute می توانید مسیر بسته های اطلاعاتی را دنبال نمائید. مثلا” در صورتیکه بخواهیم از مسیر پیوستن به سایت www.microsoft.com آگاهی پیدا نمائیم ، کافی است دستور فوق را بصورت زیر تایپ نمائیم :
Tracert www.microsoft.com
خروجی دستور فوق مشابه زیر است :
اولین اعداد نشاندهنده تعداد روتر موجود بین کامپیوتر شما و سایت مایکروسافت است . در این مدل خاص از روتر استفاده شده است . سه عدد بعدی ، نشاندهنده مدت زمانی است که اطلاعات از کامپیوتر شما برای روتر ( مشخص شده ) ارسال و مجددا” مراجعت می نمایند. در برخی موارد ممکن است نام روتر نیز اعلام گردد. در نهایت آدرس IP هر یک از روترها نشان داده شده است .بدین ترتیب برای رسیدن به سایت مایکروسافت از محلی که دستور فوق تایپ می گردد ، …. روتر استفاده و ثانیه زمان برای دریافت اطلاعات از سرویس دهنده و مراجعت مجدد اطلاعات ، نیاز خواهد بود.
ستون فقرات اینترنت
باتوجه به گستردگی اینترنت و وجود میلیون ها بسته اطلاعاتی در هر ثانیه بمنظور مسیریابی ، می بایست از روترهای با سرعت بالا استفاده شود. روتر سری 12000 سیسکو یکی از این نوع روترها بوده که بعنوان ستون فقرات اصلی در اینترنت استفاده می شود. تکنولوژی بکار گرفته شده در طراحی روترهای فوق مشابه سوپر کامپیوترها می باشد. ( استفاده از پردازنده های با سرعت بالا بهمراه مجموعه ای از سویئچ های پر سرعت ). در روتر مدل 12000 از پردازنده های 200MHZ MIPS R5000 استفاده می شود. 12016 ، یکی از مدل های سری فوق است . مدل فوق قادر دارای توان عملیات 320 میلیارد بیت از اطلاعات را در ثانیه را دارد. در صورتیکه مدل فوق با تمام توان و ظرفیت خود نصب گردد ، امکان انتقال 60 میلیون بسته اطلاعاتی در هر ثانیه را دارا است .
روترها با استفاده از جدول پیکربندی خود قادر به مسیریابی صحیح بسته های اطلاعاتی خواهند بود. قوانین موجود در جدول فوق سیاست مسیریابی یک بسته اطلاعاتی را تبین خواهند کرد . قبل از ارسال بسته های اطلاعاتی توسط مسیر مشخص شده ، روتر خط( مسیر ) مربوطه را از از نقطه نظر کارآئی بررسی می نماید . در صورتیکه مسیر فوق فاقد کارآئی لازم باشد ، روتر مسیر فوق را چشم پوشی نموده و مجددا” یک مسیر دیگر را مشخص خواهد کرد. پس از اطمینان از کارآئی مسیر مشخص شده ، بسته اطلاعاتی توسط مسیر مورد نظر ارسال خواهد گردید. تمام عملیات فوق صرفا” در کسری از ثانیه انجام می گردد. در هر ثانیه، فرآیند فوق میلیون ها مرتبه تکرار خواهد شد.
آگاهی از محلی که پیام ها می بایست ارسال گردند ، مهمترین وظیفه یک روتر است . برخی از روترهای ساده، صرفا” عملیات فوق را انجام داده و برخی دیگر از روترها عملیات بمراتب بیشتر و پیچیده تری را انجام می دهند.
