Для чего используется внутренние протоколы маршрутизации

Маршрутизация

Материал из ПИЭ.Wiki

Маршрутизация — процесс определения маршрута следования информации в сетях связи.

Маршруты могут задаваться административно (статические маршруты), либо вычисляться с помощью алгоритмов маршрутизации, базируясь на информации о топологии и состоянии сети, полученной с помощью протоколов маршрутизации (динамические маршруты).

Маршрутизация подразумевает два параллельных процесса: подготовку маршрутной таблицы и переадресацию дейтограмм с помощью этой таблицы. Формирование маршрутной таблицы производится посредством протоколов маршрутизации или под воздействием инструкций сетевого администратора.

Статическими маршрутами могут быть:

Маршрутизация в компьютерных сетях типично выполняется специальными программно-аппаратными средствами — маршрутизаторами; в простых конфигурациях может выполняться и компьютерами общего назначения, соответственно настроенными.

IP делит все ЭВМ на маршрутизаторы и обычные ЭВМ (host), последние, как правило, не рассылают свои маршрутные таблицы. Предполагается, что маршрутизатор владеет исчерпывающей информацией о правильных маршрутах (хотя это и не совсем так). Обычная ЭВМ имеет минимальную маршрутную информацию (например, адрес маршрутизатора локальной сети и сервера имен). Автономная система может содержать множество маршрутизаторов, но взаимодействие с другими AS она осуществляет только через один маршрутизатор, называемый пограничным (border gateway, именно он дал название протоколу BGP). Пограничный маршрутизатор нужен лишь тогда, когда автономная система имеет более одного внешнего канала, в противном случае его функции выполняет порт внешнего подключения (gateway; поддержка внешнего протокола маршрутизации в этом случае не требуется). Здесь и далее используется достаточно простые на первый взгляд понятия внешних и внутренних каналов, внешних и внутренних протоколов или маршрутизаторов. Но такое разделение часто весьма условно.

Содержание

Принцип оптимальности

Практически все методы маршрутизации базируются на следующем утверждении.

Принцип оптимальности маршрута. Если маршрутизатор M находится на оптимальном пути от маршрутизатора I к маршрутизатору J, тогда оптимальный путь от М к J проходит по этому же пути.

Маршрутизируемые протоколы

Протокол маршрутизации может работать только с пакетами, принадлежащими к одному из маршрутизируемых протоколов, например, IP, IPX или Xerox Network System, AppleTalk. Маршрутизируемые протоколы определяют формат пакетов (заголовков), важнейшей информацией из которых для маршрутизации является адрес назначения. Протоколы, не поддерживающие маршрутизацию, могут передаваться между сетями с помощью туннелей. Подобные возможности обычно предоставляют программные маршрутизаторы и некоторые модели аппаратных маршрутизаторов.

Протоколы маршрутизации отличаются друг от друга тем, где хранится и как формируется маршрутная информация. Оптимальность маршрута достижима лишь при полной информации обо всех возможных маршрутах, но такие данные потребуют слишком большого объема памяти. Полная маршрутная информация доступна для внутренних протоколов при ограниченном объеме сети. Чаще приходится иметь дело с распределенной схемой представления маршрутной информации. Маршрутизатор может быть информирован лишь о состоянии близлежащих каналов и маршрутизаторов.

Динамические протоколы (обычно используются именно они, наиболее известным разработчиком является компания CISCO):

Внешние и внутренние протоколы маршрутизации

Алгоритм вектора расстояния неявно предполагает, что все каналы имеют равную пропускную способность.

Протокол IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) разработан компанией CISCO для больших сетей со сложной топологией и сегментами, которые обладают различной полосой пропускания и задержкой. Это внутренний протокол маршрутизации имеет некоторые черты сходства с OSPF.

IGRP использует несколько типов метрики, по одной на каждый вид QOS. Метрика характеризуется 32-разрядным числом. В однородных средах этот вид метрики вырождается в число шагов до цели. Маршрут с минимальным значением метрики является предпочтительным. Актуализация маршрутной информации для этого протокола производится каждые 90 секунд. Если какой-либо маршрут не подтверждает своей работоспособности в течение 270 сек, он считается недоступным. После семи циклов (630 сек) актуализации такой маршрут удаляется из маршрутных таблиц. IGRP аналогично OSPF производит расчет метрики для каждого вида сервиса (TOS) отдельно.

Одной из разновидностей EGP является протокол BGP (Border Gateway Protocol, RFC-1268 [BGP-3], RFC-1467 [BGP-4]).

Сразу после включения маршрутизатор не имеет информации о возможностях соседних маршрутизаторов. Статичесикие маршрутные таблицы могут храниться в постоянной памяти или загружаться из какого-то сетевого сервера. По этой причине первейшей задачей маршрутизатора является получение маршрутной информации от соседей, а для начала выявление наличия соседей и их адресов. Для этой цели посылается специальный пакет Hello через каждый из своих внешних интерфейсов. В ответ предполагается получить отклик, содержащий идентификационную информацию соответствующего маршрутизатора.

К сожалению многие современные протоколы маршрутизации не имеют встроенных средств аутентификации (контроля доступа), что делает их уязвимыми для различных злоупотреблений.

В локальных или корпоративных сетях иной раз возникает необходимость разослать некоторую информацию всем остальным ЭВМ-пользователям сети (штормовое предупреждение, изменение курса акций, телеконференции с большим числом участников и т.д.). Для этого используется алгоритм Reverse Path Forwarding (переадресация в обратном направлении). Пояснение работы алгоритма представлено на рис. (прямоугольниками на рисунке обозначены маршрутизаторы). Секция I характеризует топологию сети. Справа показано дерево маршрутов для маршрутизатора I (sink tree). Секция III демонстрирует то, как работает алгоритм Reverse Path Forwarding. Сначала I посылает пакеты маршрутизаторам B, F, H, J и L. Далее посылка пакетов определяется используемым алгоритмом.

При передаче мультимедиа информации используются принципиально другие протоколы маршрутизации. Здесь путь прокладывается от получателя к отправителю, а не наоборот. Это связано с тем, что там при доставке применяется мультикастинговый метод. Здесь, как правило, один отправитель посылает пакеты многим потребителям. При этом важно, чтобы размножение пакета происходило как можно ближе к кластеру адресатов. Такая стратегия иной раз удлиняет маршрут, но всегда снижает результирующую загрузку сети.

Метрики маршрутов

Таблицы маршрутизации

Примитивная таблица маршрутизации для приведенного примера может иметь вид (для маршрутизатора g2):

Маршруты по умолчанию

Заметно сокращают размер маршрутной таблицы маршруты по умолчанию. В этой схеме сначала ищется маршрут в таблицах, а если он не найден, пакет посылается в узел, специально выбранный для данного случая. Так, когда имеется только один канал за рубеж, неудачный поиск в таблице маршрутов по России означает, что пакет следует послать по этому каналу и пусть там с ним разбираются. Маршруты по умолчанию используются обычно тогда, когда маршрутизатор имеет ограниченный объем памяти или по какой-то иной причине не имеет полной таблицы маршрутизации. Маршрут по умолчанию может помочь реализовать связь даже при ошибках в маршрутной таблице. Это может не иметь никаких последствий для малых сетей, но для региональных сетей с ограниченной пропускной способностью такое решение может повлечь серьезные последствия(машины, размещенные в соседних комнатах Президиума РАН, вели обмен через Амстердам ).

Общий алгоритм выбора оптимального маршрута

Общий алгоритм выбора оптимального маршрута на основе метрик сегментов пути сформулировал американский математик Дикстра в 1959 году. Описание алгоритма выбора маршрута представлено ниже:

Вычислить IP-адрес сети назначения (IN)

IF IN соответствует какому-либо адресу локальной сети, послать дейтограмму по этому адресу;

else if IN присутствует в маршрутной таблице, то послать дейтограмму к серверу, указанному в таблице;

else if описан маршрут по умолчанию, то послать дейтограмму к этому серверу;

else выдать сообщение об ошибке маршрутизации

Если сеть включает в себя субсети, то для каждой записи в маршрутной таблице производится побитная операция для ID и маски субсети. Если результат этой операции совпадет с содержимым адресного поля сети, дейтограмма посылается серверу субсети. На практике при наличии субсетей в маршрутную таблицу добавляются соответствующие записи с масками и адресами сетей.

Опорные сети и автономные системы

Одна из базовых идей маршрутизации заключается в том, чтобы сконцентрировать маршрутную информацию в ограниченном числе (в идеале в одном) узловых маршрутизаторов-диспетчеров. Эта замечательная идея ведет к заметному увеличению числа шагов при пересылке пакетов. Оптимизировать решение позволяет backbone (опорная сеть), к которой подключаются узловые маршрутизаторы. Любая AS подключается к backbone через узловой маршрутизатор.

«Прозрачные» backbone не работают с адресами класса С (все объекты такой сети должны иметь один адрес, а для c-класса число объектов слишком ограничено). «Прозрачные» мосты трудно диагностировать, так как они не следуют протоколу ICMP (команда ping не работает, в последнее время такие объекты снабжаются snmp-поддержкой). За то они позволяют перераспределять нагрузку через несколько маршрутизаторов, что невозможно для большинства протоколов.

Программная и аппаратная маршрутизация

В современных аппаратных маршрутизаторах для построения таблиц маршрутизации используется специализированное ПО («прошивка»), для обработки же IP-пакетов используется коммутационная матрица (или другая технология аппаратной коммутации), расширенная фильтрами адресов в заголовке IP-пакета.

Выделяют два типа аппаратной маршрутизации:

Статические шаблоны потоков подразумевают разделение всех входящих в маршрутизатор IP-пакетов на виртуальные потоки; каждый поток характеризуется набором признаков для пакета такие как: IP-адресами отправителя/получателя, TCP/UDP-порт отправителя/получателя (в случае поддержки маршрутизации на основании информации 4 уровня), порт, через который пришёл пакет. Оптимизация маршрутизации при этом строится на идее, что все пакеты с одинаковыми признаками должны обрабатываться одинаково (по одинаковым правилам), при этом правила проверяются только для первого пакета в потоке (при появлении пакета с набором признаков, не укладывающимся в существующие потоки, создаётся новый поток), по результатам анализа этого пакета формируется статический шаблон, который и используется для определения правил коммутации приходящих пакетов (внутри потока). Обычно время хранения неиспользующегося шаблона ограничено (для освобождения ресурсов маршрутизатора). Ключевым недостатком подобной схемы является инерциональность по отношению к изменению таблицы маршрутизации (в случае существующего потока изменение правил маршрутизации пакетов не будет «замечено» до момента удаления шаблона).

Динамически адаптируемые таблицы используют правила маршрутизации «напрямую», используя маску и номер сети из таблицы маршрутизации для проверки пакета и определения порта, на который нужно передать пакет. При этом изменения в таблице маршрутизации (в результате работы, например, протоколов маршрутизации/резервирования) сразу же влияют на обработку всех новопришедших пакетов. Динамически адаптируемые таблицы также позволяют легко реализовывать быструю (аппаратную) проверку списков доступа.

Программная маршрутизация выполняется либо специализированным ПО маршрутизаторов (в случае, когда аппаратные методы не могут быть использованы, например, в случае организации туннелей), либо программным обеспечением на компьютере. В общем случае, любой компьютер осуществляет маршрутизацию своих собственных исходящих пакетов (как минимум, для разделения пакетов, отправляемых на шлюз по умолчанию и пакетов, предназначенных узлам в локальном сегменте сети). Для маршрутизации чужих IP-пакетов, а также построения таблиц маршрутизации используется различное ПО:

Схемы маршрутизации

В протоколе IP anycast реализован путём публикации одинакового маршрута из различных точек сети через протокол BGP. В настоящее время anycast используется в Internet для уменьшения времени реакции и балансировки нагрузки корневых NS-серверов. Например, корневой NS-сервер K имеет множество инсталляций, в том числе в Амстердаме, Лондоне, Токио, Дели, Майами, Рейкъявике, Новосибирске, Хельсинки и других городах.

Широковещательный канал, широковещание — метод передачи данных в компьютерных и социальных сетях, при котором поток данных (каждый переданный пакет в случае пакетной передачи) предназначен для приёма всеми участниками сети.

В TCP/IP широковещание (broadcast) возможно только в пределах одного сегмента сети (L2 или L3). Однако пакеты данных могут быть посланы из-за пределов сегмента, в которой будет осуществлено широковещание (например, передача пакета на широковещательный IP-адрес через маршрутизатор из-за пределов сети).

Широковещание в социальных сетях:

Multicast (англ. групповая передача) — специальная форма широковещания, при которой копии пакетов направляются определённому подмножеству адресатов.

В настоящее время IP Multicast является широко поддерживаемым сетевым стандартом. Все современное сетевое программное обеспечение и аппаратное оборудование поддерживает этот стандарт. Для использования групповой IP-адресации необходима ее поддержка локальной сетью. Что касается глобальной сети, в некоторых случаях допустимо использование «туннелирования» для преодоления участков, эту адресацию не поддерживающих.

Технология IP Multicast использует адреса с 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Поддерживается статическая и динамическая адресация. Примером статических адресов являются 224.0.0.1 — адрес группы, включающей в себя все узлы локальной сети, 224.0.0.2 — все маршрутизаторы локальной сети. Диапазон адресов с 224.0.0.0 по 224.0.0.255 зарезервирован для протоколов маршрутизации и других низкоуровневых протоколов поддержки групповой адресации. Остальные адреса динамически используются приложениями.

Основная идея групповой маршрутизации состоит в том, что маршрутизаторы, обмениваясь друг с другом информацией, строят пути распространения пакетов ко всем необходимым подсетям без дублирования и петель.

В теории компьютерных сетей unicast или однонаправленная (односторонняя) передача данных подразумевает под собой передачу пакетов единственному адресату. Данная схема пакетной маршрутизации данных является прямым противопоставлением широковещательной схеме маршрутизации.

Маршрутизация для мобильных объектов

В последнее время все больше людей обзаводятся компактными переносимыми ЭВМ, которые они берут с собой в деловые поездки, и хотели бы использовать в привычном режиме для работы в Интернет. Конечно, можно заставить модем дозвониться до вашего модемного пула в офисе, но это не всегда лучшее решение как по надежности так и по цене. Пользователи с точки зрения их подвижности могут быть разделены на три группы:

Предполагается, что все эти пользователи имеют свою постоянную приписку к какой-то сети и соответствующий постоянный IP-адрес. (см. RFC-2794 «Mobile IP Network Access Identifier Extension for IPv4. P. Calhoun, C. Perkins. March 2000). На рисунке показана схема подключения подвижных пользователей к Интернет. В этой схеме предполагается наличие в каждой области сети Интернет внешнего агента, обеспечивающего доступ к этой зоне подвижных ЭВМ (на рисунке такой агент помечен надписью «чужая LAN»). Доступ может осуществляться через мобильную телефонную сеть. Предполагается также наличие соответствующего агента в «домашней» LAN, куда стационарно приписана данная ЭВМ. Домашний агент отслеживает все перемещения своих пользователей, в том числе и тех, кто подключается к «чужим» LAN.

Когда к локальной сети подключается новый пользователь (непосредственно физически или через модем сотовой телефонной сети), он должен там зарегистрироваться. Процедура регистрации включает в себя следующие операции:

1. Каждый внешний агент периодически широковещательно рассылает пакет-сообщение, содержащее его IP-адрес. «Вновь прибывшая ЭВМ» может подождать такого сообщения или сама послать широковещательный запрос наличия внешнего агента.

2. Мобильный пользователь регистрируется внешним агентом, сообщая ему свой IP- и MAC-адрес, а также некоторые параметры системы безопасности.

3. Внешний агент устанавливает связь с LAN постоянной приписки зарегистрированного мобильного пользователя, сообщая необходимую адресную информацию и некоторые параметры аутентификации.

4. Домашний агент анализирует параметры аутентификации и, если все в порядке, процедура установления связи будет продолжена.

5. Когда внешний агент получает положительный отклик от домашнего агента, он сообщает мобильной ЭВМ, что она зарегистрирована.

Когда пользователь покидает зону обслуживания данной LAN или MAN, регистрация должна быть анулирована, а ЭВМ должна быть автоматически зарегистрирована в новой зоне. Когда посылается пакет мобильному пользователю, «домашняя LAN», получив его, маршрутизирует пакет внешнему агенту, зарегистрировавшему данного пользователя. Этот агент переправит пакет адресату.

Процедуры переадресации выполняются с привлечением технологии IP-туннелей. Домашний агент предлагает отправителю посылать пакеты непосредственно внешнему агенту области, где зарегистрирована подвижная ЭВМ. Существует много вариантов реализации протокола с разным распределением функций между маршрутизаторами и ЭВМ. Существуют схемы и временным выделением резервного IP-адреса подвижному пользователю. Международный стандарт для решения проблемы работы с подвижными пользователями пока не разработан.

При широком внедрении IPv6 с практически неограниченным ресурсом адресов проблемы выделения IP-адреса вообще не будет.

В последнее время конфигурирование сетевого оборудования (маршрутизаторов, DNS и почтовых серверов усложнилось настолько, что это стало составлять заметную часть издержек при формировании коммуникационного узла. Заметного упрощенияи удешевления маршрутизаторов можно ожидать при внедрении IPv6. Следующим шагом станет внедрение объектно-ориентированного языка описания маршрутной политики RPSL (Routing Policy Specification Language). Здесь конфигурирование маршрутизатора будет осуществляться на основе описанной маршрутной политики.

Классификация

Бесклассовая междудоменная маршрутизация(Classless Inter-Domain Routing)

Динамическая адаптивная маршрутизация(Dynamic adaptive routing)

— выходных трактов узла (локальная адаптивная маршрутизация);

— сети (глобальная адаптивная маршрутизация).

Динамическая маршрутизация(Dynamic routing)

Динамическая маршрутизация использует специальные алгоритмы маршрутизации:

— алгоритм «состояние канала» и др.

Иерархическая маршрутизация (Hierarchical routing)

Интервальная маршрутизация (Interval routing)

Лавинная маршрутизация (Flooding)

Маршрутизация с альтернативными путями

Маршрутизация с фиксированными путями

Маршрутизация типа «чревоточина» (Wormhole routing)

Метропольная маршрутизация (Metropolis routing)

Статическая маршрутизация (Static routing)

Централизованная маршрутизация (Centralized routing)

—Darya Chernenko 09:09, 16 января 2011 (UTC)

Источник

Внутренние протоколы маршрутизации

Конкретный вариант протокола маршрутизации, действующий внутри одной автономной системы, называется внутренним протоколом маршрутизации (IGP — Interior Gateway Protocol).

Протокол RIP (Routing Information Protocol) представляет собой один из старейших протоколов обмена маршрутной информацией, однако он до сих пор чрезвычайно распространен в вычислительных сетях.

Реализация протокола RIP для семейства протоколов TCP/IP широко доступна, поскольку входит в состав программного обеспечения ОС UNIX, например, FreeBSD или Linux. В силу своей простоты протокол RIP имеет наибольшие шансы превратиться в «открытый» протокол IGP, т.е. протокол, который может использоваться для совместной работы шлюзов, поставляемых разными фирмами.

Протокол RIP с течением времени перетерпел значительную эволюцию: от классового (classful) протокола маршрутизации (RIP-1) к бесклассовому протоколуRIP второй версии (RIP-2).Усовершенствования протокола RiP-2 включают в себя:

· способность переносить дополнительную информацию о маршрутизации пакетов;

· механизм аутентификации для обеспечения безопасного обновления таблиц маршрутизации;

· способность поддерживать маски под-сетей.

На рисунке приведен пример сети, состоящей из шести маршрутизаторов, имеющих идентификаторы от 1 до 6, и из шести сетей от A до F, образованных прямыми связями типа «точка-точка».

Обмен маршрутной информацией по протоколу RIP

На рисунке приведена начальная информация, содержащаяся в топологической базе маршрутизатора 2, а также информация в этой же базе после двух итераций обмена маршрутными пакетами протокола RIP. После определенного числа итераций маршрутизатор 2 будет знать о расстояниях до всех сетей интерсети, причем у него может быть несколько альтернативных вариантов отправки пакета к сети назначения. Пусть в нашем примере сетью назначения является сеть D.

При необходимости отправить пакет в сеть D маршрутизатор просматривает свою базу данных маршрутов и выбирает порт, имеющий наименьшее расстояния до сети назначения (в данном случае порт, связывающий его с маршрутизатором 3).

Для адаптации к изменению состояния связей и оборудования с каждой записью таблицы маршрутизации связан таймер. Если за время тайм-аута не придет новое сообщение, подтверждающее этот маршрут, то он удаляется из маршрутной таблицы.

Пример неустойчивой работы сети при использовании протокола RIP

При обрыве связи с сетью 1 маршрутизатор М1 отмечает, что расстояние до этой сети приняло значение 16. Однако получив через некоторое время от маршрутизатора М2 маршрутное сообщение о том, что от него до сети 1 расстояние составляет 2 хопа, маршрутизатор М1 наращивает это расстояние на 1 и отмечает, что сеть 1 достижима через маршрутизатор 2. В результате пакет, предназначенный для сети 1, будет циркулировать между маршрутизаторами М1 и М2 до тех пор, пока не истечет время хранения записи о сети 1 в маршрутизаторе 2, и он не передаст эту информацию маршрутизатору М1.

Для исключения подобных ситуаций маршрутная информация об известной маршрутизатору сети не передается тому маршрутизатору, от которого она пришла.

Существуют и другие, более сложные случаи нестабильного поведения сетей, использующих протокол RIP, при изменениях в состоянии связей или маршрутизаторов сети.

Протокол IGRP был разработан компанией Cisco в 80-х годах. Он основан на дистанционно-векторном алгоритме маршрутизации и применяет составную метрику, учитывающую несколько переменных. Кроме того, IGRP не ограничивается маршрутами, содержащими максимум 15 переходов.

Протокол IGRP обновляет таблицы реже, чем.RIP, и располагает более эффективным форматом кадра. Он поддерживает автономные системы, поэтому управляемые им маршрутизаторы можно помещать внутрь доменов, где весь трафик, приходящий на маршрутизатор, остается локальным. Таким образом снижается количество широковещательной информации, расходующей пропускную способ­ность всей сети.

Метрика IGRP учитывает пропускную способность, задержку, степень загруз­ки и надежность линий следующим образом:

Поскольку IGRP разработан компанией Cisco и является ее собственностью, он применяется только на маршрутизаторах Cisco. Протокол RIP более уни­версален, его можно использовать в сетях IP как с маршрутизаторами Cisco, так и с устройствами других производителей.

Вы, вероятно, обратили внимание, что показатели надежности и нагрузки основаны на числе 255. Причина проста: хотя IGRP не работает со счетчи­ком переходов в качестве метрики, он может передавать данные в сетях с ко­личеством переходов, не превышающим 255. теоретически кадры разреша­ется пересылать через 255 устройств, поэтому данное число и фигурирует в оценке надежности и нагрузки.

Итак IGRP учитывает различную информацию при обновлении таблиц маршрутизации. Он часто применяется в крупных сетях, где протокол RIP был бы неэффективен.

Протокол OSPF (Open Shortest Path First) представляет собой протокол состояния маршрута, причём в качестве метрики используется коэффициент качества обслуживания.

Каждый маршрутизатор обладает полной информацией о состоянии всех интерфейсов шлюзов автономной системы. Определяющими являются три характеристики: задержка, пропускная способность и надёжность.

Преимущества OSPF:
— для каждого адреса может быть несколько маршрутных таблиц, по одной на каждый вид IP-операции;
— каждому интерфейсу присваивается безразмерная цена, учитывающая пропускную способность, время транспортировки сообщения; каждой IP-операции может быть присвоена своя цена;
— при существовании эквивалентных маршрутов OSFP распределяет поток равномерно по этим маршрутам;
— при связи «точка–точка» не требуется IP-адрес для каждого из концов;
— применяется мультикастинг вместо широковещательной адресации, что снижает загрузку не вовлечённых в обмен сегментов.
Недостатки OSPF — трудно получить информацию о предпочтительности каналов для узлов, поддерживающих другие протоколы или имеющих статическую маршрутизацию.

Протокол IS-IS. Учитывая, с одной стороны, широкое распространение сетей с архитектурой TCP/IP, с другой стороны, повышенное внимание правительственных и коммерческих организаций к архитектуре ЭМВОС; ожидается, что архитектуры TCP/IP и ЭМВОС будут существовать долгое время вместе. Поэтому возникает необходимость в шлюзах, способных маршрутизировать одновременно IP- и ЭМВОС-трафик.
Протокол IS-IS (Intermediate System to Intermediate System Protocol, RFC 1195) обеспечивает поддержку понятий IP-подсети, переменной маски подсети, маршрутизацию на основе значения поля «Тип сервиса» в заголовке IP-пакета и понятие внешнего маршрута.

Источник