Roteador

Como é de conhecimento dos profissionais da área de redes, os roteadores são equipamentos que controlam o encaminhamento das mensagens que trafegam através de uma rede de computadores, operando nos níveis 1, 2 e 3 do modelo RM-OSI. São, dessa forma, equipamentos que interligam e que conectam dois ou mais segmentos de rede similares, porem distintos, compondo-os em uma rede de dimensões maiores.

Tendo em vista que os roteadores operam ao nível de rede, eles utilizam os endereços contidos no cabeçalho do protocolo de rede para poder determinar para qual nó de rede um pacote deve ser encaminhado. Os roteadores são, portanto, responsáveis pelo roteamento dos pacotes entre redes locais (LAN’s) e redes de longa distância (WAN’s).

Figura 1 - Aplicação do roteador em uma LAN

O Roteador

A aparência física mais comum de um roteador é a de um equipamento semelhante aos hubs e switches, com duas ou mais portas de interface de rede. Essas interfaces permitem a interligação com redes fisicamente próximas (como redes de departamentos distintos, mas no mesmo prédio) ou com duas ou mais redes geograficamente distantes entre si.

Juntamente com essas portas de interface de rede é comum encontrarmos uma porta serial para a conexão de outros equipamentos, normalmente com a finalidade de gerenciamento e configuração. Essa interface específica permite aos administradores de rede configurarem o roteador de uma forma segura, evitando um tráfego desnecessário de informações por toda a rede.

Figura 2 - Exemplo de um roteador, mostrando as interfaces de rede

Os roteadores também coletam, descobrem e agregam informações sobre as rotas de comunicação que podem ser usadas pelos computadores e demais equipamentos no momento do envio dos pacotes de dados. Essa tarefa é gerenciada e executada pelos protocolos de roteamento que funcionam internamente ao roteador.

Um roteador também pode executar funções como firewall, ou seja, a filtragem de pacotes e sua eliminação, sempre baseado em regras de gerenciamento predefinidas. Por exemplo, pacotes podem ser bloqueados e eliminados se não pertencerem à faixa de números IP especificada pelo administrador da rede ou no caso de estarem direcionados para aplicações que não estão autorizadas e/ou previstas.

Funcionalidades

Os roteadores armazenam e transmitem para outros roteadores, em outras redes, informações e diagramas sobre as camadas de rede. Internamente, usam protocolos específicos através dos quais obtém informações sobre a topologia da rede, calculam rotas para outras redes e constroem tabelas de roteamento.

É claro que para que tudo funcione de forma adequada, uma série de funções é necessária para executar diversas atividades e todo esse conjunto de funcionalidades complexas requer a presença de um ou mais processadores e memória suficiente para o armazenamento de todas as informações. Existem duas atividades que são básicas para um roteador:

Determinação das melhores rotas - Determinar a melhor rota é definir por qual enlace uma determinada mensagem deve ser enviada para chegar ao seu destino de forma segura e eficiente. Para realizar esta função o roteador utiliza dois conceitos muito importantes: o conceito de métrica e o conceito de tabelas de roteamento;

Transporte dos pacotes - Transportar os pacotes pela rede é uma função relativamente simples realizada pelos roteadores. Consiste em verificar o endereço de rede para onde a mensagem está destinada, determinar se o endereço é válido, traduzir para um novo endereço físico e enviar pacote.

Métrica

Métrica é o padrão de medida usado pelos algoritmos de roteamento para determinar o melhor caminho para o percurso entre a origem e o destino da informação.

Ao utilizar uma métrica pode-se utilizar apenas um parâmetro ou vários parâmetros. A utilização de vários parâmetros permite uma melhor modelagem da métrica e uma decisão mais eficiente de qual é o melhor caminho. Alguns parâmetros muito utilizados são o tamanho do caminho, a confiabilidade, o atraso, largura de banda, carga e o custo da comunicação.

Roteamento

Roteamento é a ação realizada por um roteador e consiste em encaminhar pacotes, baseado em seus destinos, para interfaces de rede ou outros roteadores.

Todo computador conectado a uma rede, como a Internet, por exemplo, possui uma tabela de roteamento. Esta tabela consiste em uma lista de destinos com seus respectivos caminhos, sendo consultada sempre que um dado vai ser enviado através da rede. Esses caminhos podem ser interfaces de rede (isto é, redes às quais se está diretamente conectado) ou endereços de outros roteadores (que também possuirão uma tabela de roteamento para decidir qual caminho tomar).

Figura 3 - Roteamento

Cada roteador da rede utiliza uma tabela de roteamento relacionando os destinos e caminhos que poderão ser seguidos pelos pacotes. As tabelas de roteamento em cada roteador são consultadas a partir da comparação de cada pacote com as regras da política de roteamento da rede. Deste modo, antes do pacote ser roteado, ele é submetido a esse conjunto de regras que determina qual tabela será usada pelo roteador para aquele pacote específico.

Tabelas de roteamento

Os roteadores constroem tabelas de roteamento para realizarem as suas tarefas. Estas tabelas de roteamento contêm entradas que relacionam um determinado destino com um enlace e uma métrica. Dependendo das implementações, podem apresentar mais dados, entretanto destino, enlace e métrica são os dados essenciais.

Existem diferentes maneiras para criar as tabelas de roteamento. Os roteadores necessitam de uma tabela interna de roteamento através da qual extraem as informações necessárias sobre a rede em que atuam. Ao estabelecer uma determinada rota, o roteador consulta essa tabela interna para determinar o encaminhamento dos pacotes. As tabelas podem ser de dois tipos: dinâmica ou estática. A tabela do tipo dinâmica se apóia em protocolos de roteamento do tipo RIP, OSPF e outros, baseados em algoritmos, para escolher a melhor rota e seguem critérios denominados de "métrica de roteamento".

Uma tabela estática é definida pelo administrador da rede que utiliza comandos para adicionar cada rota manualmente, em cada roteador da rede. Este método somente é indicado para pequenas redes, onde existe um pequeno número de roteadores, com poucas rotas e rotas que não são alteradas freqüentemente. Para redes maiores, com muitas rotas e muitos roteadores, este método é simplesmente impraticável, pois a simples adição de uma nova rota exigiria a alteração das tabelas de roteamento em todos os roteadores da rede.

Já com o uso dos protocolos de roteamento dinâmico, os roteadores trocam informações entre si, periodicamente e "aprendem" sobre a rede e sobre as rotas disponíveis, ou seja, vão "descobrindo" as rotas existentes e gravando estas rotas em suas tabelas de roteamento. Se um roteador ficar off-line, em pouco tempo os demais roteadores identificarão o estado deste roteador e atualizarão, automaticamente, suas tabelas de roteamento.

Com isso cada roteador aprende novos caminhos, já considerando a indisponibilidade do roteador com problemas, e repassam estas informações para os demais roteadores. Esta possibilidade não existe quando as tabelas são criadas manualmente, conforme descrito anteriormente.

Tipos de algoritmos de roteamento

Estático - Um algoritmo de roteamento do tipo estático não baseia as suas decisões de roteamento em medidas ou estimativas de tráfego ou em topologias correntes. As rotas são predefinidas e carregadas no roteador no processo de inicialização da rede;

Dinâmico - Um algoritmo de roteamento dinâmico tenta mudar as suas decisões de roteamento de acordo com as mudanças de tráfego e de topologia. A tabela de roteamento se modifica com o passar do tempo;

Estrutura plana - Neste tipo de algoritmo, todos os roteadores estão em um mesmo nível. As informações não são organizadas e distribuídas hierarquicamente;

Estrutura hierárquica - As informações de roteamento são organizadas hierarquicamente. Dependendo da hierarquia do roteador, a sua tabela de roteamento e a sua comunicação com outros roteadores são diferentes;

Algoritmos intra-domínios - Estes são algoritmos executados por roteadores de dentro de um determinado Sistema Autônomo. Eles permitem que sejam definidas as rotas para dentro da rede de uma determinada organização;

Algoritmos inter-domínios - Estes são algoritmos executados por roteadores que estão nos limites dos domínios. Permitem a definição das rotas que são utilizadas para a comunicação com equipamentos de fora de um determinado Sistema Autônomo.

Requisitos do roteador

Para um roteador funcionar de forma adequada dentro de uma rede é necessário que ele execute algumas tarefas. Ele deve "aprender" a topologia da sub-rede e escolher os caminhos adequados dentro da mesma. Deve cuidar para que algumas rotas não sejam sobrecarregadas enquanto outras fiquem sem uso e deve resolver os problemas que ocorrem quando a origem e o destino estão em redes diferentes.

Internamente ao roteador temos duas características importantes que influenciam sua performance em uma rede de computadores: a memória e o algoritmo de roteamento utilizado:

Memória Buffer

Roteadores usam memórias tipo "buffer" que são blocos que armazenam temporariamente os pacotes de dados até o momento em que são processados. Cada uma das interfaces de rede do roteador possui memória buffer para os pacotes de dados que entram pelo roteador e outra memória do mesmo tipo para os pacotes de dados que saem do roteador.

As memórias buffer são um ponto chave na eficiência de um roteador e essa informação pode ser usada na identificação de um bom equipamento, pois o seu tamanho é crítico e pode determinar a performance geral da rede. Por exemplo, se o tráfego de dados da rede em direção ao roteador é excessivo, ou o roteador não possui memória suficiente, as memórias buffer rapidamente se completam (se saturam) com os pacotes de dados e, considerando que a velocidade com que os mesmos são processados é inferior a velocidade com que novos pacotes chegam, os pacotes em excesso são ignorados, o que faz com que sejam retransmitidos pela rede de origem. A retransmissão desses pacotes afeta diretamente a velocidade e eficiência da rede como um todo.

Por outro lado, memória buffer em quantidade excessiva pode causar muita espera no serviço de roteamento, pois o usuário, ou o equipamento, enviará os dados ao roteador, estes serão aceitos em função da grande quantidade de memória e ficarão aguardando um tempo maior para serem processados.

Quando um pacote chega em uma porta do roteador, ele e posicionado na memória buffer de entrada para aguardar o seu processamento. Em alguns casos um pacote de dados pode ser endereçado para um equipamento localizado dentro da rede do próprio roteador, mas a grande maioria requer apenas o processamento de redirecionamento (ou retransmissão) para outras redes.

Algoritmo de roteamento

Todos os roteadores executam um algoritmo de roteamento. O algoritmo de roteamento é uma parte do programa de nível de rede responsável por decidir para qual linha um pacote deve ser enviada a fim de chegar ao seu destino. São características desejáveis para um algoritmo de roteamento:

Correção - O algoritmo deve calcular corretamente as rotas para alcançar todos os destinos. Esta característica deve ser complementada pela derivação da melhor rota. Não basta que o algoritmo descubra uma rota para um destino, é necessário que ele descubra a melhor rota possível;

Simplicidade - O algoritmo deve ser eficiente para não sobrecarregar a rede. Além disso, é importante que o administrador da rede possa entender como o ele é executado;

Estabilidade - O algoritmo deve convergir rapidamente. O termo "convergir" neste caso significa ficar em um estado correto. Por exemplo, quando ocorre alguma modificação na topologia da rede, as tabelas de roteamento de alguns roteadores apresentarão uma informação desatualizada. No momento em que todos os roteadores estiverem com suas tabelas corretas, diz-se que o algoritmo convergiu. Quanto mais rápido ocorrer este processo, melhor;

Robustez - Uma vez a rede em operação, esta deve permanecer o maior tempo possível sem que ocorram falhas no sistema. As falhas isoladas de hardware e software e mudanças na topologia da rede devem ser tratadas pelo algoritmo de roteamento que deverá ser capaz de resolver tais modificações sem requerer uma reinicialização de todo o sistema;

Consideração com o usuário e eficiência global - Um algoritmo de roteamento deve melhorar a eficiência da rede sem deixar de considerar os diversos usuários e aplicativos dessa mesma rede.

Conclusão

Para que a comunicação de uma rede local com outras redes seja possível, é necessário um equipamento que seja capaz de enviar e receber informações de / para essas redes. O roteador torna-se, dessa forma, o principal componente na interligação de redes de computadores. Todo pacote contendo informação enviado para outras redes deve, obrigatoriamente, passar pelo roteador, assim como todo pacote de informação proveniente de outras redes também deve passar por ele.

Os roteadores permitem a troca de informações entre redes locais (LAN’s) e redes locais e remotas (WAN’s), encaminhando os pacotes de mensagens pelos diversos percursos possíveis (enlaces). Como cada roteador tem uma tabela com todas as rotas conhecidas, ele recebe e encaminha os pacotes de dados em alta velocidade, escolhendo o melhor caminho para realizar essa tarefa. Tal operação é conhecida como "roteamento" e realizada entre redes diferentes.