Qual informação e usada pelos roteadores para encaminhar um pacote de dados para seu destino?

Um roteador [a] é um dispositivo de rede que encaminha pacotes de dados entre redes de computadores . Os roteadores executam as funções de direcionamento de tráfego na Internet . Os dados enviados pela Internet, como uma página da web ou e - mail , estão na forma de pacotes de dados. Um pacote é normalmente encaminhado de um roteador para outro roteador através das redes que constituem uma internetwork (por exemplo, a Internet) até atingir seu nó de destino . [2]

Um roteador está conectado a duas ou mais linhas de dados de diferentes redes IP . [b] Quando um pacote de dados chega em uma das linhas, o roteador lê as informações do endereço de rede no cabeçalho do pacote para determinar o destino final. Então, usando as informações de sua tabela de roteamento ou política de roteamento , ele direciona o pacote para a próxima rede em sua jornada.

O tipo mais familiar de roteadores IP são os roteadores domésticos e de pequenos escritórios, que simplesmente encaminham pacotes IP entre os computadores domésticos e a Internet. Roteadores mais sofisticados, como roteadores corporativos, conectam grandes empresas ou redes de ISP aos poderosos roteadores de núcleo que encaminham dados em alta velocidade ao longo das linhas de fibra óptica do backbone da Internet .

Quando vários roteadores são usados ​​em redes interconectadas, os roteadores podem trocar informações sobre endereços de destino usando um protocolo de roteamento . Cada roteador constrói uma tabela de roteamento , uma lista de rotas, entre dois sistemas de computador nas redes interconectadas. [3]

Um roteador tem dois tipos de componentes de elementos de rede organizados em planos de processamento separados : [4]

• Plano de controle : um roteador mantém uma tabela de roteamento que lista qual rota deve ser usada para encaminhar um pacote de dados e por meio de qual conexão de interface física. Ele faz isso usando diretivas pré-configuradas internas, chamadas de rotas estáticas , ou aprendendo rotas dinamicamente usando um protocolo de roteamento. As rotas estáticas e dinâmicas são armazenadas na tabela de roteamento. A lógica do plano de controle remove as diretivas não essenciais da tabela e constrói uma base de informações de encaminhamento (FIB) a ser usada pelo plano de encaminhamento.
• Plano de encaminhamento : O roteador encaminha pacotes de dados entre as conexões de interface de entrada e saída. Ele os encaminha para o tipo de rede correto usando informações que o cabeçalho do pacote contém correspondidas às entradas no FIB fornecido pelo plano de controle.

Um roteador pode ter interfaces para diferentes tipos de conexões de camada física , como cabos de cobre, fibra óptica ou transmissão sem fio. Ele também pode suportar diferentes padrões de transmissão da camada de rede. Cada interface de rede é usada para permitir que os pacotes de dados sejam encaminhados de um sistema de transmissão para outro. Os roteadores também podem ser usados ​​para conectar dois ou mais grupos lógicos de dispositivos de computador conhecidos como sub-redes , cada um com um prefixo de rede diferente .

Os roteadores podem fornecer conectividade dentro de empresas, entre empresas e a Internet ou entre redes de provedores de serviços de Internet (ISPs). Os maiores roteadores (como o Cisco CRS-1 ou Juniper PTX) interconectam os vários ISPs ou podem ser usados ​​em grandes redes corporativas. [5] Roteadores menores geralmente fornecem conectividade para redes domésticas e de escritório típicas.

Todos os tamanhos de roteadores podem ser encontrados dentro das empresas. [6] Os roteadores mais poderosos são normalmente encontrados em ISPs, instalações acadêmicas e de pesquisa. As grandes empresas também podem precisar de roteadores mais poderosos para lidar com as demandas cada vez maiores de tráfego de dados de intranet . Um modelo de internetworking hierárquico para interconectar roteadores em grandes redes é de uso comum. [7]

Acesso, núcleo e distribuição

Os roteadores de acesso, incluindo modelos de pequeno escritório / escritório doméstico (SOHO), estão localizados em casa e nos sites do cliente, como filiais, que não precisam de roteamento hierárquico próprio. Normalmente, eles são otimizados para baixo custo. Alguns roteadores SOHO são capazes de rodar firmware alternativo gratuito baseado em Linux, como Tomato , OpenWrt ou DD-WRT . [8] [ falha na verificação ]

Os roteadores de distribuição agregam tráfego de vários roteadores de acesso. Os roteadores de distribuição geralmente são responsáveis ​​por garantir a qualidade do serviço em uma rede de longa distância (WAN), portanto, eles podem ter uma memória considerável instalada, várias conexões de interface WAN e rotinas substanciais de processamento de dados onboard. Eles também podem fornecer conectividade a grupos de servidores de arquivos ou outras redes externas. [ citação necessária ]

Em empresas, um roteador de núcleo pode fornecer um backbone colapsado interconectando os roteadores da camada de distribuição de vários edifícios de um campus ou locais de grandes empresas. Eles tendem a ser otimizados para alta largura de banda, mas não possuem alguns dos recursos dos roteadores de ponta. [9] [ falha na verificação ]

Segurança

As redes externas devem ser cuidadosamente consideradas como parte da estratégia geral de segurança da rede local. Um roteador pode incluir um firewall , gerenciamento de VPN e outras funções de segurança, ou podem ser gerenciados por dispositivos separados. Os roteadores também costumam realizar a tradução de endereços de rede, o que restringe as conexões iniciadas por conexões externas, mas não é reconhecido como um recurso de segurança por todos os especialistas. [10] Alguns especialistas argumentam que os roteadores de código aberto são mais seguros e confiáveis ​​do que os de código fechado porque os roteadores de código aberto permitem que os erros sejam encontrados e corrigidos rapidamente. [11]

Roteamento de redes diferentes

Os roteadores também são frequentemente diferenciados com base na rede em que operam. Um roteador em uma rede local (LAN) de uma única organização é chamado de roteador interno . Um roteador operado no backbone da Internet é descrito como roteador externo . Já um roteador que conecta uma LAN com a Internet ou uma rede de longa distância (WAN) é chamado de roteador de fronteira ou roteador de gateway . [12]

Conectividade com a Internet e uso interno

Roteadores destinados a ISP e conectividade corporativa principal geralmente trocam informações de roteamento usando o Border Gateway Protocol (BGP). RFC  4098 define os tipos de roteadores BGP de acordo com suas funções: [13]

• Roteador de borda (também chamado de roteador de borda do provedor ): colocado na borda de uma rede ISP. O roteador usa Exterior Border Gateway Protocol (EBGP) para roteadores em outros ISPs ou sistemas autônomos de grandes empresas .
• Roteador de extremidade do assinante (também chamado de roteador de extremidade do cliente ): localizado na extremidade da rede do assinante, ele também usa EBGP para o sistema autônomo de seu provedor. Normalmente é usado em uma organização (corporativa).
• Roteador de fronteira entre provedores : Um roteador BGP para interconectar ISPs que mantém sessões BGP com outros roteadores BGP em sistemas autônomos de ISP.
• Roteador de núcleo : reside em um sistema autônomo como uma espinha dorsal para transportar o tráfego entre roteadores de borda. [14]
• Dentro de um ISP: No sistema autônomo do ISP, um roteador usa BGP interno para se comunicar com outros roteadores de borda de ISP, outros roteadores de núcleo de intranet ou roteadores de borda de provedor de intranet do ISP.
• Backbone da Internet: A Internet não tem mais um backbone claramente identificável, ao contrário de suas redes predecessoras. Consulte zona livre padrão (DFZ). Os roteadores de sistema dos principais ISPs constituem o que pode ser considerado o atual backbone da Internet. [15] Os ISPs operam todos os quatro tipos de roteadores BGP descritos aqui. Um roteador de núcleo ISP é usado para interconectar seus roteadores de borda e borda. Os roteadores centrais também podem ter funções especializadas em redes virtuais privadas baseadas em uma combinação de protocolos BGP e Multi-Protocol Label Switching . [16]
• Encaminhamento de portas: os roteadores também são usados ​​para encaminhamento de portas entre servidores privados conectados à Internet. [6]
• Roteadores de processamento de voz, dados, fax e vídeo: comumente chamados de servidores de acesso ou gateways , esses dispositivos são usados ​​para rotear e processar tráfego de voz, dados, vídeo e fax na Internet. Desde 2005, a maioria das chamadas de longa distância são processadas como tráfego IP ( VOIP ) por meio de um gateway de voz. O uso de roteadores do tipo servidor de acesso se expandiu com o advento da Internet, primeiro com o acesso discado e outro ressurgimento com o serviço de telefone de voz.
• Redes maiores geralmente usam switches multicamadas , com dispositivos de camada 3 sendo usados ​​para simplesmente interconectar várias sub-redes dentro da mesma zona de segurança, e switches de camada superior quando filtragem , tradução , balanceamento de carga ou outras funções de nível superior são necessárias, especialmente entre zonas.

O conceito de um computador de interface foi proposto pela primeira vez por Donald Davies para a rede NPL em 1966. [17] A mesma ideia foi concebida por Wesley Clark no ano seguinte para uso na ARPANET . Processadores de mensagens de interface nomeados (IMPs), esses computadores tinham basicamente a mesma funcionalidade de um roteador hoje. A ideia de um roteador (chamados de gateways na época) surgiu inicialmente por meio de um grupo internacional de pesquisadores de redes de computadores denominado International Networking Working Group (INWG). Estabelecido em 1972 como um grupo informal para considerar as questões técnicas envolvidas na conexão de diferentes redes, tornou-se um subcomitê da Federação Internacional para Processamento de Informações no final daquele ano. [18] Esses dispositivos de gateway eram diferentes da maioria dos esquemas de comutação de pacotes anteriores de duas maneiras. Primeiro, eles conectaram diferentes tipos de redes, como linhas seriais e redes locais . Em segundo lugar, eles eram dispositivos sem conexão , que não tinham a função de garantir que o tráfego fosse entregue de maneira confiável, deixando isso inteiramente para os hosts . Essa ideia em particular, o princípio ponta a ponta , foi anteriormente pioneira na rede CYCLADES .

A ideia foi explorada com mais detalhes, com a intenção de produzir um sistema protótipo como parte de dois programas contemporâneos. Um foi o programa inicial iniciado pelo DARPA , que criou a arquitetura TCP / IP em uso hoje. [19] O outro era um programa no Xerox PARC para explorar novas tecnologias de rede, que produziu o sistema PARC Universal Packet ; devido a questões de propriedade intelectual corporativa, recebeu pouca atenção fora da Xerox por anos. [20] Algum tempo depois do início de 1974, os primeiros roteadores Xerox tornaram-se operacionais. O primeiro roteador IP verdadeiro foi desenvolvido por Ginny Strazisar na BBN , como parte daquele esforço iniciado pela DARPA, durante 1975–1976. [21] No final de 1976, três roteadores baseados em PDP-11 estavam em serviço no protótipo experimental da Internet. [22]

Os primeiros roteadores multiprotocolo foram criados de forma independente por pesquisadores do MIT e Stanford em 1981; o roteador Stanford foi feito por William Yeager , e o MIT, por Noel Chiappa ; ambos também foram baseados em PDP-11s. [23] [24] [25] [26] Praticamente todas as redes agora usam TCP / IP, mas roteadores multiprotocolo ainda são fabricados. Eles foram importantes nos primeiros estágios do crescimento das redes de computadores, quando outros protocolos além do TCP / IP estavam em uso. Os roteadores modernos da Internet que lidam com IPv4 e IPv6 são multiprotocolo, mas são dispositivos mais simples do que os roteadores que processam os protocolos AppleTalk, DECnet, IP e Xerox.

De meados da década de 1970 a 1980, os minicomputadores de uso geral serviram como roteadores. Roteadores de alta velocidade modernos são processadores de rede ou computadores altamente especializados com aceleração de hardware extra adicionada para acelerar funções de roteamento comuns, como encaminhamento de pacotes, e funções especializadas, como criptografia IPsec . Há uso substancial de máquinas baseadas em software Linux e Unix , executando código de roteamento de código aberto , para pesquisa e outras aplicações. O sistema operacional Cisco IOS foi projetado de forma independente. Os principais sistemas operacionais de roteadores, como Junos e NX-OS , são versões extensivamente modificadas do software Unix.

O principal objetivo de um roteador é conectar várias redes e encaminhar pacotes destinados a redes conectadas diretamente ou mais redes remotas. Um roteador é considerado um dispositivo da camada 3 porque sua decisão de encaminhamento primária é baseada nas informações do pacote IP da camada 3, especificamente o endereço IP de destino. Quando um roteador recebe um pacote, ele pesquisa sua tabela de roteamento para encontrar a melhor correspondência entre o endereço IP de destino do pacote e um dos endereços na tabela de roteamento. Assim que uma correspondência é encontrada, o pacote é encapsulado no quadro de enlace de dados da camada 2 para a interface de saída indicada na entrada da tabela. Um roteador normalmente não olha para a carga útil do pacote, [ carece de fontes? ], Mas apenas nos endereços da camada 3 para tomar uma decisão de encaminhamento, além de outras informações opcionais no cabeçalho para dicas sobre, por exemplo, qualidade de serviço (QoS). Para o encaminhamento de IP puro, um roteador é projetado para minimizar as informações de estado associadas a pacotes individuais. [27] Uma vez que um pacote é encaminhado, o roteador não retém nenhuma informação histórica sobre o pacote. [c]

A própria tabela de roteamento pode conter informações derivadas de uma variedade de fontes, como rotas padrão ou estáticas que são configuradas manualmente ou entradas dinâmicas de protocolos de roteamento onde o roteador aprende rotas de outros roteadores. Uma rota padrão é usada para rotear todo o tráfego cujo destino não aparece na tabela de roteamento; isso é comum - até mesmo necessário - em pequenas redes, como uma casa ou uma pequena empresa, onde a rota padrão simplesmente envia todo o tráfego não local para o provedor de serviços de Internet . A rota padrão pode ser configurada manualmente (como uma rota estática), ou aprendida por protocolos de roteamento dinâmico, ou obtida por DHCP . [d] [28]

Um roteador pode executar mais de um protocolo de roteamento por vez, principalmente se funcionar como um roteador de fronteira do sistema autônomo entre partes de uma rede que executam diferentes protocolos de roteamento; se isso acontecer, a redistribuição pode ser usada (geralmente seletivamente) para compartilhar informações entre os diferentes protocolos em execução no mesmo roteador. [29]

Além de decidir para qual interface um pacote é encaminhado, o que é tratado principalmente por meio da tabela de roteamento, um roteador também precisa gerenciar o congestionamento quando os pacotes chegam a uma taxa maior do que o roteador pode processar. Três políticas comumente usadas na Internet são queda traseira , detecção precoce aleatória (RED) e detecção precoce aleatória ponderada (WRED). A queda da cauda é a mais simples e mais fácil de implementar; o roteador simplesmente descarta novos pacotes recebidos quando o espaço do buffer no roteador se esgota. O RED probabilisticamente descarta os datagramas mais cedo quando a fila excede uma porção pré-configurada do buffer, até um máximo pré-determinado, quando descarta todos os pacotes de entrada revertendo para a queda final. O WRED pode ser configurado para descartar pacotes mais prontamente, dependendo do tipo de tráfego.

Outra função que um roteador executa é a classificação do tráfego e a decisão de qual pacote deve ser processado primeiro. Isso é gerenciado por meio de QoS , que é crítico quando a Voz sobre IP é implantada, para não introduzir latência excessiva . [ citação necessária ]

Ainda outra função que um roteador executa é chamada de roteamento baseado em política, onde regras especiais são construídas para substituir as regras derivadas da tabela de roteamento quando uma decisão de encaminhamento de pacote é feita. [30]

Algumas das funções podem ser executadas por meio de um circuito integrado específico de aplicativo (ASIC) para evitar a sobrecarga de programação do tempo da CPU para processar os pacotes. Outros podem ter que ser executados por meio da CPU, pois esses pacotes precisam de atenção especial que não podem ser tratados por um ASIC. [ citação necessária ]

• Modem de banda larga móvel
• Modem
• Portal residencial
• Alternar interface virtual
• Roteador sem fio