0. Коротко о судьбе и пути пакета

Под пакетом будем понимать PDU любого уровня — IP-пакеты, фреймы, сегменты итд. Для нас важно, что это сформированный пакет информации. Всю статью мы будем рассматривать некий модульный узел, который пересылает пакеты. Для того, чтобы не запутать читателя, определим, что это маршрутизатор. Все рассуждения данной статьи, с поправками на заголовки, протоколы и конкретные действия с пакетом, применимы к любым сетевым устройствам, будь то маршрутизатор, файрвол или коммутатор — их задача: передать пакет следующему узлу ближе к назначению. Дабы избежать кривотолков и неуместной критики: автор отдаёт себе отчёт в том, что реальная ситуация зависит от конкретного устройства. Однако задача статьи — дать общее понимание принципов работы сетевого оборудования.

Следующую схему мы выберем в качестве отправной точки.

Независимо от того, что за устройство, как реализована обработка трафика, пакету нужно пройти такой путь.

  1. Путь делится на две части: входной и выходной тракты.

  2. На входе происходит сначала декапсуляция — отделение заголовка от полезной нагрузки и прочие присущие протоколу вещи (например, вычисление контрольной суммы)

  3. Далее стадия входной обработки (Ingress Processing) — сам пакет без заголовка (нагрузка) томится в буфере, а заголовок анализируется. Здесь могут к пакетам применяться политики, происходить поиск точки назначения и выходного интерфейса, создаваться копии итд.

  4. Когда анализ закончен, заголовок превращается в метаданные (временный заголовок), склеивается с пакетом и они передаются на входную очередь. Она позволяет не слать на выходной тракт больше, чем тот может обработать.

  5. Далее пакет может ждать (или запрашивать) явное разрешение на перемещение в выходную очередь, а может просто туда передаваться, а там, поди, разберутся.

  6. Выходных трактов может быть несколько, поэтому пакет далее попадает на фабрику коммутации, цель которой, доставить его на правильный.

  7. На выходном тракте также есть очередь — выходная. В ней пакеты ожидают выходной обработки (Egress Processing): политики, QoS, репликация, шейпинг. Здесь же формируются будущие заголовки пакета. Также выходная очередь может быть полезной для того, чтобы на интерфейсы не передавать больше, чем они могут пропустить.

  8. И завершающая стадия — инкапсуляция пакета в приготовленные заголовки и передача его дальше.

Эта упрощённая схема более или менее универсальна. Немного усложним её, рассмотрев стек протоколов. Например, IP-маршрутизатор должен сначала из электрического импульса восстановить поток битов, далее распознать, какой тип канального протокола используется, определить границы кадра, снять заголовок Ethernet, узнать что под ним (пусть IP), передать IP-пакет на дальнейшую обработку.

Тогда схема примет такой вид:

  1. Сначала отработал модуль физического уровня.

    • С помощью АЦП восстановил поток битов — в некоторым смысле декапсуляция физического уровня.

    • Работая на определённом типе порта (Ethernet), он понимает, что выходным интерфейсом будет модуль Ethernet.

  2. Далее происходит декапсуляция и Входная Обработка на Ethernet-модуле:

    • Определение границ кадра, преамбулы, IFG, FCS

    • Подсчёт контрольной суммы

    • Снятие заголовков, разбор на поля

    • Применение политик

    • Определение адреса назначения — он локальный — и тогда выходной интерфейс — к модулю IP.

  3. Входная обработка IP:

    • Снятие заголовков, разбор на поля

    • Применение политик

    • Анализ адреса назначения

    • Поиск выходного интерфейса в Таблице Пересылки

    • Формирование временных внутренних заголовков

    • Склейка временных заголовков с данными и отправка пакета на выходной тракт.

  4. Обработка во входной очереди.

  5. Пересылка через фабрику коммутации.

  6. Обработка в выходной очереди.

  7. На выходном тракте модуль IP совершает Выходную Обработку:

    • Применение политик, шейпинг

    • Формирование конечного заголовка на основе метаданных (временного заголовка) и передача его модулю Ethernet.

  8. Далее Выходная Обработка на модуле Ethernet

    • Поиск в ARP-таблице MAC-адреса следующего узла

    • Формирование заголовка Ethernet

    • Подсчёт контрольной суммы

    • Применение политик

    • Спуск на физический модуль.

  9. А модуль физического уровня в свою очередь разбивает поток битов на электрические импульсы и передаёт в кабель.

*Порядок выполнения операция приблизительный и может зависеть от реализации.

Все перечисленные выше шаги декомпозируются на сотни более мелких, каждый из которых должен быть реализован в железе или в ПО.

Вот и вопрос — в железе или ПО. Он преследует мир IP-сетей с момента их основания и, как это водится, развитие происходит циклически.

Есть вещи тривиальные, для которых элементная база существует… ммм… с 60-х. Например, АЦП, аппаратные очереди или CPU. А есть те, которые стали прорывом относительно недавно. Часть функций всегда была и будет аппаратной, часть — всегда будет программной, а часть — мечется, как та обезьяна.

В этой статье мы будем преимущественно говорить об аппаратных устройствах, лишь делая по ходу ремарки по поводу виртуальных.