Для целей маршрутизации качество канала связи определяется числом, называемым метрикой стоимости. Путем сложения метрик отдельных отрезков пути вычисляется общая стоимость маршрута. В простейших системах каждому каналу назначается стои мость 1, и в результате метрикой маршрута становится число переходов. Но любой из перечисленных выше критериев может являться метрикой стоимости.
Эксперты в области сетей долго и упорно трудились над тем, чтобы определение такого понятия, как метрика стоимости, было максимально гибким, а некоторые со временные протоколы даже позволяют использовать разные метрики для разных видов сетевого трафика. Тем не менее в 99% случаев на все это можно не обращать внимания. Для большинства систем вполне подойдут стандартные метрики.
Бывают ситуации, когда кратчайший физический маршрут к адресату не должен быть выбран по умолчанию из административных соображений. В таких случаях можно ис кусственно завысить метрики критических каналов. Всю остальную работу предоставьте демонам.
Внутренние и внешние протоколы
Автономная система - это группа сетей, находящихся под административным или политическим контролем одного юридического лица. Такое определение довольно рас плывчато. Реальные автономные системы могут представлять собой как глобальные корпоративные сети, так и сети университетов или даже отдельных факультетов. Все зависит от того, как осуществляется маршрутизация. Сейчас наблюдается тенденция к укрупнению автономных систем. Это упрощает администрирование и повышает эф фективность маршрутизации.
Маршрутизация внутри автономной системы отличается от маршрутизации между такими системами. Протоколы второго типа (внешние, или протоколы внешних шлю зов) должны управлять множеством маршрутов к различным сетям и учитывать тот факт, что соседние маршрутизаторы находятся под контролем других людей. Внешние прото колы не раскрывают топологию автономной системы, поэтому в определенном смысле их можно рассматривать как второй уровень маршрутизации, на котором соединяются группы сетей, а не отдельные компьютеры или кабели.
На практике небольшим и среднего размера организациям редко требуется внешний протокол, если только они не подключены к нескольким провайдерам одновременно. При наличии нескольких провайдеров традиционное разделение на локальный домен и домен Интернета нарушается, поскольку маршрутизаторам приходится определять, какой маршрут в Интернете лучше всего подходит для конкретного адреса. (Это не означает, что каждый маршрутизатор должен знать всю необходимую информацию. Большинство узлов может направлять свои пакеты внутреннему шлюзу, хранящему необходимые сведения.)
Поскольку внешние протоколы не сильно отличаются от своих внутренних аналогов, в этой главе мы сосредоточим внимание на внутренних протоколах и демонах, которые их поддерживают. Если ваш сайт поддерживает внешний протокол, обратитесь к литера турным источниками, ссылки на которые приведены в конце главы.
15.3. Основные протоколы маршрутизации
В этом разделе мы познакомимся с основными внутренними протоколами маршру тизации, узнаем их преимущества и недостатки.
Протоколы RIP и RIPng
RIP (Routing Information Protocol - протокол маршрутной информации) - это старый протокол компании Xerox, адаптированный для IP-сетей. Его IP-версия была описана примерно в 1988 году в документе RFC1058. Существует три версии этого про токола: RIPv1, RIPv2 и RIPng только для протокола IPv6 (ng (next generation) означает
“следующее поколение”).
Все версии этого протокола представляют собой простые Дистанционно-векторные протоколы, метрикой стоимости в которых является количество переходов. Поскольку протокол RIP разрабатывался в те времена, когда отдельные компьютеры были доро гими, а сети маленькими, в версии RIPv1 предполагается, что все узлы, находящиеся на расстоянии пятнадцати и более переходов, недоступны. В более поздних версиях это ограничение не было снято, чтобы стимулировать администраторов сложных сетей пе реходить на более сложные протоколы маршрутизации.
Информация о бесклассовой адресации, известной под именем CIDR, приведена в разделе 14.4.
Протокол RIPv2 - это улучшенная версия протокола RIP, в которой вместе с адресом следующего перехода передается сетевая маска. Это упрощает управление сетями, где есть подсети и применяется протокол CIDR, по сравнению с протоколом RIPv1. В нем была также предпринята невнятная попытка усилить безопасность протокола RIP.
Протокол RIPv2 можно выполнять в режиме совместимости. Это позволяет сохра нить большинство его новых функциональных возможностей, не отказываясь от по лучателей, использующих простой протокол RIP. Во многих аспектах протокол RIPv2 идентичен исходному протоколу и отдавать предпочтение следует именно ему.
Детали протокола IPv6 приведены в разделе 14.2.
Протокол RIPng представляет собой переформулирование протокола RIP в терминах протокола IPv6. Он может использоваться только в рамках протокола IPv6, в то время как протокол RIPv2 - только в рамках протокола IPv4. Если вы хотите использовать как протокол IPv4, так и протокол IPv6 вместе с протоколом RIP, то RIP и RIPng необходи мо выполнять как отдельные протоколы.
Несмотря на то что протокол RIP известен своим расточительным использованием широковещательного режима, он весьма эффективен при частых изменениях сети, а также в тех случаях, когда топология удаленных сетей неизвестна. Однако после сбоя канала он может замедлить стабилизацию системы.
Сначала исследователи были уверены, что появление более сложных протоколов маршрутизации, таких как OSPF, сделает протокол RIP устаревшим. Тем не менее про токол RIP продолжает использоваться, потому что он простой, легкий в реализации и не требует сложного конфигурирования. Таким образом, слухи о смерти протокола RIP оказались слишком преувеличенными.
Протокол RIP широко используется на платформах, не использующих операцион ную систему UNIX. Многие устройства, включая сетевые принтеры и сетевые управляе мые SNMP-компоненты, способны принимать RIP-сообщения, узнавая о возможных сетевых шлюзах. Кроме того, почти во всех версиях систем UNIX и Linux в той или иной форме существует клиент протокола RIP. Таким образом, протокол RIP считается “наименьшим общим знаменателем” протоколов маршрутизации. Как правило, он при меняется для маршрутизации в пределах локальной сети, тогда как глобальную маршру тизацию осуществляют более мощные протоколы.
Часть II. Работа в сети |
Некоторые сайты запускают пассивных демонов протокола RIP (обычно демон routed илиripd из пакета Quagga), которые ожидают сообщений об изменениях в сети, не осу ществляют широковещательную рассылку собственной информации. Реальные вы числения маршрутов выполняются с помощью более производительных протоколов, таких как OSPF (см. следующий раздел). Протокол RIP используется только как меха низм распространения.
Протокол OSPF
OSPF (Shortest Path First Open - открытый протокол первоочередного обнаруже ния кратчайших маршрутов) является самым популярным топологическим протоко лом. Термин “первоочередное обнаружение кратчайших маршрутов” (shortest path first) означает специальный математический алгоритм, по которому вычисляются маршруты; термин “открытый” (open) - синоним слова “непатентованный”. Основная версия про токола OSPF (версия 2) определена в документе RFC2328, а расширенная версия прото кола OSPF, поддерживающая протокол IPv6 (версия 3), - в документе RFC5340. Первая версия протокола OSPF устарела и сейчас не используется.
OSPF - протокол промышленного уровня, который эффективно функционирует в крупных сетях со сложной топологией. По сравнению с протоколом RIP, он имеет ряд преимуществ, включая возможность управления несколькими маршрутами, ведущими к одному адресату, и возможность разделения сети на сегменты (“области”), которые бу дут делиться друг с другом только высокоуровневыми данными маршрутизации. Сам про токол очень сложный, поэтому имеет смысл использовать его только в крупных систе мах, где важна эффективность маршрутизации. Для эффективного использования про токола OSPF необходимо, чтобы ваша схема адресации имела иерархический характер.
В спецификации протокола OSPF не навязывается конкретная метрика стоимости. По умолчанию в реализации этого протокола компанией Cisco в качестве метрики ис пользуется пропускная способность сети.
Протокол EIGRP
EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol - протокол маршрутизации вну тренних шлюзов) - это патентованный протокол маршрутизации, используемый толь ко маршрутизаторами компании Cisco. Протокол IGRP был разработан для устранения некоторых недостатков протокола RIP еще в те времена, когда не было такого надеж ного стандарта, как протокол OSPF. Протокол IGRP был отклонен в пользу протоко ла EIGRP, который допускает произвольные сетевые маски CIDR. Протоколы IGRP и EIGPR конфигурируются одинаково, несмотря на различия в их организации.
Протокол EIGRP поддерживает протокол IPv6, но в нем, как и во всех других про токолах маршрутизации, адресные пространства IPv6 и IPv4 конфигурируются отдельно и существуют как параллельные домены маршрутизации.
Протокол EIGRP является дистанционно-векторным, но он спроектирован так, что бы избежать проблем зацикливания и медленной стабилизации, свойственных другим протоколам данного класса. В этом смысле протокол EIGRP считается образцом. Для большинства применений протоколы EIGRP и OSPF обеспечивают равные функцио нальные возможности.
IS-IS: протокол маршрутизации между промежуточными системами
Протокол IS-IS (Intra-domain Intermediate System to Intermediate System Routing Pro tocol) является ответом на протокол OSPF со стороны организации ISO. Первоначально он предназначался для маршрутизации в рамках сетевых протоколов OSI, но впослед ствии был расширен для поддержки IР-маршрутизации.
Оба протокола - IS-IS и OSPF - создавались в начале 90-х годов, когда протоколы организации ISO преднамеренно хранились в тайне. Благодаря усилиям со стороны ор ганизации IETF, протокол IS-IS получил видимость законности, но со временем стал все сильнее уступать в популярности протоколу OSPF и сегодня используется редко. В на стоящее время из-за множества ненужных функциональных особенностей, заложенных в него организацией ISO, лучше его избегать.
Протоколы RDP и NDP
Протокол RDP (Router Discovery Protocol - протокол обнаружения маршрутизаторов) использует ICMP-сообщения, посылаемые по групповому IР-адресу 224.0.0.1, для распро странения информации о других маршрутизаторах в сети. К сожалению, не все маршрути заторы в настоящее время рассылают такие сообщения, и не все компьютеры могут их при нимать. Остается надеяться, что когда-нибудь этот протокол станет более популярным.
Информация о протоколе ARP приведена в разделе 14.6.
Протокол NDP (Neighbor Discovery Protocol - протокол обнаружения соседнего узла), основанный на протоколе IPv6, объединяет функциональные возможности про токолов RDP и ARP (Address Resolution Protocol - протокол разрешения адреса), ис пользуемых для отображения адресов IPv4 в адреса аппаратных устройств в локальных сетях. Поскольку этот протокол является основным компонентом протокола IPv6, он используется там, где используется протокол IPv6, и протоколы маршрутизации в рам ках протокола IPv6 основаны именно на нем.
Протокол ВGР
Протокол BGP (Border Gateway Protocol - протокол пограничной маршрутизации) является протоколом внешней маршрутизации, т.е. он управляет трафиком между ав тономными системами, а не между отдельными сетями. Существовало несколько попу лярных протоколов внешней маршрутизации, но протокол BGP пережил их всех.
В настоящее время BGP является стандартным протоколом, используемым для ма гистральной маршрутизации в Интернете. В средине 2010 года таблица маршрутизации Интернета содержала около 320 тыс. префиксов. Совершенно очевидно, что это мас штаб, при котором магистральная маршрутизация существенно отличается от локальной.
15.4. Выбор стратегии маршрутизации
Существует четыре уровня сложности, характеризующих процесс управления марш рутизацией в сети:
отсутствие маршрутизации как таковой;
только статическая маршрутизация;
Часть II. Работа в сети |
преимущественно статическая маршрутизация, но клиенты принимают RIPобновления;
динамическая маршрутизация.
Общая топология сети существенно влияет на маршрутизацию каждого конкретно го сегмента. В различных сетях могут требоваться совершенно разные уровни поддерж ки маршрутизации. При выборе стратегии следует руководствоваться перечисленными ниже эмпирическими правилами.
Автономная сеть не нуждается в маршрутизации.
Если из сети есть только один выход во внешний мир, клиенты сети (нешлюзовые узлы) должны иметь стандартный статический маршрут к этому шлюзу. Никакой другой конфигурации не требуется, кроме как на самом шлюзе.
Можно задать явный статический маршрут к шлюзу, ведущему в небольшую груп пу сетей, и стандартный маршрут к шлюзу, ведущему во внешний мир. Однако динамическая маршрутизация предпочтительнее, если до нужной сети можно до браться разными маршрутами.
Если сети пересекают государственные или административные границы, следует использовать динамическую маршрутизацию, даже если сложность сетей этого не требует.
Протокол RIP отлично работает и широко используется. Не отказывайтесь от него просто потому, что он имеет репутацию устаревшего протокола.
Проблема протокола RIP заключается в том, что его невозможно масштабировать до бесконечности. Расширение сети рано или поздно приведет к отказу от него. Из-за этого протокол RIP считается промежуточным протоколом с узкой обла стью применения. Эта область ограничена с одной стороны сетями, которые явля ются слишком простыми, чтобы применять в них какой-либо протокол маршру тизации, а с другой стороны - сетями, которые являются слишком сложными для протокола RIP. Если вы планируете расширять свою сеть, то было бы целесообраз но игнорировать протокол RIP вообще.
Даже если протокол RIP не соответствует вашей стратегии глобальной маршру тизации, он остается хорошим способом распределения маршрутов к концевым узлам. Однако его не следует применять без особой надобности: системы в сети, имеющей только один шлюз, никогда не требуют динамического обновления.
Протоколы EIGRP и OSPF имеют одинаковые функциональные возможности, но протокол EIGRP является собственностью компании Cisco. Компания Cisco дела ет прекрасные и оптимальные по соотношению “цена-качество” маршрутизаторы; тем не менее стандартизация протокола EIGRP ограничивает ваши возможности будущего расширения.
Маршрутизаторы, подключенные к магистрали Интернета, должны использовать протокол BGP. Обычно большинство маршрутизаторов имеет только один вход и, сле довательно, для них достаточно задать простой статический стандартный маршрут.
Для организации среднего размера с относительно стабильной локальной структу рой, где есть выход в другую сеть, подойдет сочетание статической и динамической маршрутизаций. Маршрутизаторы локальной сети, которые не являются шлюзами во внешние сети, могут использовать статическую маршрутизацию, направляя все неиз вестные пакеты стандартной машине, способной общаться с внешним миром и выпол нять динамическую маршрутизацию.
Маршрутизация является одной из важнейших операций в объединенных сетях IP. Маршрутизацией называется процесс построения, сравнения и выбора маршрута в сети к произвольному IP-адресу. Устройства, выполняющие эти функции, называют маршрутизаторами. Основные функции маршрутизаторов следующие:
· обмен информации о локально подключенных хостах и сетях;
· сравнение альтернативных путей;
· согласование топологии сети.
Маршрутизаторы выполняют свои функции в двух режимах: либо используют заранее запрограммированные статические маршруты, либо строят маршруты с использованием протоколов динамической маршрутизации.
В свою очередь, протоколы динамической маршрутизации делятся на две категории: дистанционно-векторные и топологические протоколы. Основные различия между ними в алгоритмах поиска и построения новых маршрутов.
Статическая маршрутизация основана на статических, заранее запрограммированных маршрутах. Преимущества статической маршрутизации заключаются:
· в повышении надежности сети;
· эффективном расходовании ресурсов;
· возможности применения для диагностики и временного разрешения проблем в сети;
· обеспечении безопасности сети.
Основными недостатками такого вида маршрутизации являются необходимость ручного изменения маршрутов в случае возникновения сбоев, увеличение ручной работы в случае возрастания объемов сети.
Дистанционно-векторная маршрутизация основана на алгоритмах Беллмана-Форда, согласно которым копии таблиц маршрутизации периодически передаются узлам, находящимся в непосредственном соседстве. Каждый получатель добавляет в таблицу значение дистанции и передает его своим непосредственным соседям. Процесс повторяется по всем направлениям и в результате каждый маршрутизатор получает сведения о других маршрутизаторах и накапливает информацию о соседях.
Недостатки дистанционно-векторной маршрутизации следующие:
· в случае сбоя или изменений в сети необходимо некоторое время на согласование, в течение которого сеть может быть перегружена;
· маршрутизатор ничего не знает о фактической топологии сети и других маршрутизаторах;
Основным достоинством дистанционно-векторных протоколов является их простота. Эти протоколы эффективны в очень мелких сетях с минимальным количеством альтернативных путей и отсутствием жестких требований к производительности. Типичным представителем таким протоколов является протокол RIP (описан в документе RFC1058).
Алгоритмы топологической маршрутизации ведут сложную базу данных, описывающую топологию сети.
В отличие от дистанционно-векторных протоколов, топологические протоколы располагают полной информацией о маршрутизаторах сети и о способах их соединения. Эта задача решается с использованием обмена сообщениями (LSA) с другими маршрутизаторами. Обмен такими сообщениями инициируется только событиями в сети, а не периодически, что существенно ускоряет распространение из
менений в сети. Топологическая маршрутизация обладает двумя существенными недостатками:
1) на стадии сбора первоначальной информации по сети передается большой объем информации, существенно снижая возможности сети по передаче данных;
2) топологическая маршрутизация требует больших затрат памяти и процессорных ресурсов.
Решаются эти проблемы посредством планирования и технического оснащения сети.
Топологическая маршрутизация приносит пользу в сетях любого размера, в хорошо спроектированной сети она позволяет корректно адаптировать к эффектам неожиданных топологических изменений. Применение механизма сообщений позволяет повысить эффективность передачи данных, что, в свою очередь, позволяет упростить масштабирование сети. Типичным представителем топологической маршрутизации является протокол OSPF (описание приведено в RFC2328).
При создании TCP/IP была выбрана иерархическая архитектура, позволяющая эффективно объединять различные сети. При пересылке между различными сетями дейтаграмма проходит через устройства, выполняющие маршрутизацию. Если адрес получателя совпадает с адресом локальной сети, то маршрутизатор передает дейтаграмму в сеть для доставки, иначе дейтаграмма пересылается следующему маршрутизатору в объединенной сети. В глобальных сетях используются многочисленные специальные устройства, предназначенные для выполнения маршрутизации. Они различаются по выполняемым функциям:
· шлюз (gateway) – компьютер, выполняющий преобразование протоколов. Шлюзы работают на уровнях модели OSI с 4 по 7 (например, шлюз электронной почты). Шлюзы очень часто выполняют преобразование нескольких протоколов в зависимости от сетевых подключений, например, также они могут выполнять шифрование/дешиф-рование данных;
· мост (bridge) – компьютер, соединяющий две сети и более, использующий один протокол. Мост работает на уровне 2 модели OSI и использует адреса канального уровня (а не адреса IP);
· маршрутизатор (router) – компьютер, пересылающий дейтаграммы в сети. Маршрутизаторы работают на уровне 3 модели OSI и дополнительно могут выполнять другие функции, например, преобразование сетевых адресов (NAT) или обеспечение безопасности.
Каждое из этих устройств, согласно своим функциям, выполняет передачу данных по объединенным сетям.
Основная работа по составлению таблиц маршрутизации выполняется автоматически с помощью протоколов маршрутизации, которые обмениваются пакетами с информацией о топологии составной сети. Предусматривается также и ручная корректировка таблиц. При обмене маршрутной информацией пакеты протокола маршрутизации помещаются в поле данных пакетов сетевого уровня, или даже транспортного, поэтому формально их следовало бы относить к более высокому уровню, чем сетевой.
Протоколы маршрутизации могут быть построены на основе разных алгоритмов, отличающихся способами построения таблиц маршрутизации, выбора наилучшего маршрута и другими особенностями.
Эти протоколы делятся на следующие группы:
1. С одношаговыми алгоритмами маршрутизации. В них маршрутизация выполняется по распределенной схеме. Каждый маршрутизатор выбирает один шаг маршрута, а конечный маршрут складывается в результате работы всех маршрутизаторов, через которые проходит пакет.
2. С маршрутизацией от источника (Sonra Routing). Это многошаговый подход. Узел-источник задает в отправляемом пакете полный маршрут, через все промежуточные узлы. При таком подходе не нужны таблицы маршрутизации для промежуточных узлов, их работа ускоряется, но возрастает нагрузка на конечные узлы. Этот способ трудно применять в больших сетях.
Одношаговые алгоритмы в зависимости от способа формирования таблиц делятся на три класса:
1. Алгоритмы фиксированной (статической) маршрутизации.
2. Алгоритмы простой маршрутизации.
3. Алгоритмы адаптивной (или динамической) маршрутизации.
В алгоритмах фиксированной маршрутизации все записи – статические и делаются вручную администратором сети. Алгоритм подходит для небольших сетей с простой топологией, а также для магистралей крупных сетей, которые имеют простую структуру.
В алгоритмах простой маршрутизации таблица маршрутизации либо не используется совсем, либо строится без участия протоколов маршрутизации. Выделяют три типа простой маршрутизации:
1. Случайная маршрутизация , когда прибывший пакет посылается в первом попавшемся случайном направлении, кроме исходного направления (аналогично обработке кадров с неизвестным адресом);
2. Лавинная маршрутизация, когда пакет широковещательно посылается по всем возможным направлениям, кроме исходного направления (аналогично обработке мостами кадров с неизвестным адресом);
3. Маршрутизация по предыдущему опыту, когда выбор маршрута осуществляется по таблице, но таблица строится по принципу моста, путем анализа адресных полей пакетов, появляющихся на входных портах.
Все описанные алгоритмы не подходят для больших сетей.
Самыми распространенными являются алгоритмы адаптивной (или динамической ) маршрутизации . Эти алгоритмы обеспечивают автоматическое обновление таблиц маршрутизации после изменения конфигурации сети. В таблицах маршрутизации при использовании таких алгоритмов обычно определяется время жизни маршрута.
Адаптивные алгоритмы обычно носят распределенный характер, хотя в последнее время наметилась тенденция использовать так называемые серверы маршрутов. Сервер маршрутов собирает информацию, а затем раздает ее по запросам маршрутизаторам, которые освобождаются в этом случае от функции создания таблиц маршрутизации, либо создают только части этих таблиц. Появились специальные протоколы взаимодействия маршрутизаторов с серверами маршрутов, например, NHRP (Next Hop Resolution Protocol).
Адаптивные протоколы в свою очередь делятся на:
1. Дистанционно-векторные алгоритмы (Distance Vector Algorithms – DVA)
2. Алгоритмы состояния связей (Link State Algorithms – LSA)
В дистанционно-векторных алгоритмах каждый маршрутизатор периодически (через определенные промежутки времени) широковещательно рассылает по сети вектор (экземпляр своей таблицы), компонентами которого являются расстояния от данного маршрутизатора до всех известных ему сетей. Под расстоянием обычно понимается число промежуточных маршрутизаторов, которые необходимо пройти (хопов). Возможна и другая метрика – учет не только числа промежуточных маршрутизаторов, но и времени прохождения пакетов по сети между соседними маршрутизаторами. При получении вектора от соседа маршрутизатор прибавляет к расстояниям до указанных в векторе сетей расстояние от него самого до данного соседа. Если в его таблице еще нет маршрутов до указанных в векторе сетей, маршрутизатор добавляет новые записи в свою таблицу. Если маршруты до каких – то сетей уже есть в таблице данного маршрутизатора, он сравнивает показатели метрики старого и нового маршрута, и либо заменяет старую запись на новую (показатель нового маршрута лучше), либо игнорирует новый маршрут и оставляет старую запись. После этого маршрутизатор формирует новый вектор, в котором указывает информацию об известных ему сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены к его портам) или из объявлений других маршрутизаторов, и рассылает новый вектор по сети. В конце концов, каждый маршрутизатор получает информацию обо всех входящих в интерсеть сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.
Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В больших сетях они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком, к тому же изменения топологии сети не всегда корректно обрабатываются этим алгоритмом, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии сети, аналогично мостам.
Наиболее распространенный протокол описанного типа – RIP, существующий в версиях для протоколов IP и IPX.
Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного топологического графа сети. Вершинами графа являются как маршрутизаторы, так и объединяемые ими сети. Распространяемая по сети информация состоит из описания связей между вершинами графа – маршрутизатор-маршрутизатор или маршрутизатор - сеть.
Все маршруты работают на основании одинаковых графов, что делает процесс маршрутизации более устойчивым к изменениям конфигурации сети. «Широковещательная» рассылка (то есть передача пакетов всем непосредственным соседям маршрутизатора) используется здесь только в начальной фазе обмена информацией и при изменениях состояния связей, что в надежных сетях происходит довольно редко.
Чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами HELLO со своими ближайшими соседями. Этот служебный трафик также засоряет сеть, но не в такой степени, как, например, пакеты протокола RIP, так как пакеты HELLO имеют намного меньший объем.
Протоколы, использующие алгоритм состояния сетей – это OSPF (Open Shortest Path First) стека TCP/IP, IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) стека OSI, и недавно реализованный протокол NLSP стека Novell.
Все методы маршрутизации, применяемые в маршрутизаторах, можно разбить на две группы (рис.118):
1) методы статической (фиксированной) маршрутизации;
2) методы динамической (адаптивной) маршрутизации.
Статическая маршрутизация означает, что пакеты передаются по определенному пути, установленному администратором и не изменяемому в течение длительного времени.
Статическая маршрутизация применяется в небольших мало изменяющихся сетях. Ее достоинства следующие:
Низкие требования к маршрутизатору;
Повышенная безопасность сети.
Недостатки статической маршрутизации, существенно ограничивающие её применение следующие:
Высокая трудоемкость эксплуатации (сетевые администраторы должны задавать и модифицировать маршруты вручную);
Медленная адаптация к изменениям топологии сети.
Динамическая маршрутизация - распределенная маршрутизация, позволяющая автоматически изменять маршрут следования пакетов при отказах или перегрузках каналов связи.
Для автоматического построения и модификации маршрутных таблиц используются протоколы (рис.119):
Внутренней маршрутизации - IGP (Interior Gateway Protocol), например RIP, OSPF, IS-IS, ES-IS;
Внешней маршрутизации - EGP (Exterior Gateway Protocol ), например протокол BGP (Border Gateway Protocol ), используемый в сети Internet .
С использованием протоколов внутренней маршрутизации маршрутные таблицы строятся в пределах так называемой автономной системы (autonomous system), представляющей собой совокупность сетей с единым административным подчинением (рис.120).
Рис. 119
Для обмена маршрутной информацией между автономными системами чаще всего применяется протокол внешней маршрутизации EGP, разработанный для сети Internet. Этот протокол назван так потому, что внешний маршрутизатор, как правило, размещается на периферии автономной системы. Его задача заключается в сборе информации о доступности всех сетей данной автономной системы и последующей передаче этой информации внешним маршрутизаторам других автономных систем.
С учетом опыта применения протокола EGP был разработан протокол BGP, основанный на использовании надежного транспортного протокола ТСР, который по сравнению с EGP:
Рис. 120
Обеспечивает более быструю стабилизацию оптимальных маршрутов;
Меньше загружает сеть служебной информацией, в частности, за счет передачи при изменении сети информации, относящейся только к этому изменению.
Протоколы маршрутизации управляют динамическим обменом информацией о маршрутах между всеми маршрутизаторами сети, реализуются программно в маршрутизаторе, создавая таблицы маршрутизации, отображающие организацию всей сети.
Протоколы внутренней маршрутизации (рис. 121), как правило, основаны на алгоритмах обмена:
Таблицами «вектор-длина» - DVA (Distance Vector Algorithm ) - протоколы типа «distance vector»;
Информацией о состоянии каналов - LSA (Link-State Algorithm ) - протоколы типа «link state».
DVА - алгоритм обмена информацией о доступных сетях и расстояниях до них путём периодической рассылки маршрутизаторами широковещательных пакетов. К протоколам типа DVА относится один из самых первых протоколов RIP (Routing lnfоrmаtiоn Protocol), который первоначально широко применялся в сети Интернет. Эти протоколы характеризуются тем, что периодически (даже если в сети не происходит изменений) посылают широковещательные пакеты с таблицами маршрутизации, которые, проходя через маршрутизаторы, обновляют таблицы маршрутизации.
Рис. 121
В каждой строке маршрутной таблицы указываются:
Сетевой адрес некоторой сети;
Адрес маршрутизатора, через который следует передавать пакеты, направляемые в данную сеть;
Расстояние до сети.
При инициализации маршрутизатора в таблицу маршрутизации записываются:
Адреса соседних сетей;
Адреса соседних маршрутизаторов, с которыми данный маршрутизатор связан непосредственно;
Расстояние до соседних маршрутизаторов принимается равным 0 или 1 в зависимости от реализации.
Каждые 30 секунд маршрутизатор передает широковещательный пакет, содержащий пары (V , D), где V - адрес доступной сети, называемый вектором, а D - расстояние до этой сети, называемое длиной вектора.
В метрике RIP длина вектора измеряется числом транзитных маршрутизаторов (в хопах) между данным маршрутизатором и соответствующей сетью. На основании полученных таблиц "вектор-длина" маршрутизатор вносит дополнения и изменения в свою маршрутную таблицу, определяя пути минимальной длины во все доступные сети.
Поскольку каналы связи могут иметь разные пропускные способности, в некоторых реализациях RIP длина вектора умножается на весовой коэффициент, зависящий от скорости передачи данных по КС.
Основное достоинство RIP и других протоколов типа DV А - простота реализации.
Недостатки RIP:
1) медленная стабилизация оптимальных маршрутов;
Периодичностью передачи широковещательных пакетов, содержащих таблицы "вектор-длина" - пакеты передаются даже в том случае, если в сети не было никаких изменений;
Большим объёмом этих таблиц, который пропорционален числу подсетей, входящих в сеть.
Протоколы типа distance vector целесообразно применять в небольших и относительно устойчивых сетях. В больших сетях периодически посылаемые широковещательные пакеты приводят к перегрузке сети и уменьшению пропускной способности.
LSA - алгоритмы обмена информацией о состоянии каналов, называемые также алгоритмами предпочтения кратчайшего пути SPF (Shortest Path First), основаны на динамическом построении маршрутизаторами карты топологии сети за счет сбора информации обо всех объединяющих их каналах связи. Для этого маршрутизатор периодически тестирует состояние каналов с соседними маршрутизаторами, помечая каждый канал как "активный" или "неактивный". На практике для уменьшения слишком частой смены этих двух состояний применяется следующее правило: «канал считается "активным " до тех пор, пока значительный процент тестов не даст отрицательного результата, и "неактивным " - пока значительный процент тестов не даст положительного результата».
При изменении состояния своих каналов маршрутизатор немедленно распространяет соответствующую информацию по сети всем остальным маршрутизаторам, которые, получив сообщения, обновляют свои карты сети и заново вычисляют кратчайшие пути во все точки назначения.
Достоинства алгоритмов LSA:
1) гарантированная и более быстрая стабилизация оптимальных маршрутов, чем в алгоритмах DVА;
2) простота отладки и меньший объем передаваемой информации, не зависящий от общего числа подсетей в сети.
Протоколы типа LSA используются в больших или быстро растущих сетях. К ним относятся такие протоколы, как Ореn Shortest Path First (OSPF) и Intеrmеdiаtе System to Intеrmеdiаtе System (IS-IS).
Самой распространенной реализацией алгоритма LSA является протокол OSPF - открытый стандарт, разработанный для применения в маршрутизаторах сети Интернет и широко используемый в настоящее время в других сетях (NetWare, SNA, XNS, DECNet).
Обладая всеми преимуществами алгоритмов LSA, протокол OSPF обеспечивает следующие дополнительные возможности.
1. Маршрутизация пакетов в соответствии с заказанным типом обслуживания. Сетевой администратор может присваивать межсетевым каналам различные значения "стоимости", основываясь на их пропускной способности, задержках или эксплуатационных расходах. Маршрутизатор выбирает путь следования пакета в результате анализа не только адреса получателя, но и поля "тип обслуживания" в заголовке.
2. Равномерное распределение нагрузки между альтернативными путями одинаковой стоимости (в отличие от протокола RIP, вычисляющего только один путь в каждую точку назначения).
3. Маршрутизация пакетов в соответствии с классом обслуживания. Сетевой администратор может создать несколько очередей с различными приоритетами. Пакет помещается в очередь на отправку по результатам анализа типа протокола. Для пакетов, чувствительных к временным задержкам, выделяется очередь с более высоким приоритетом.
4. Аутентификация маршрутов. Отсутствие этой возможности, например в протоколе RIP, может привести к перехвату пакетов злоумышленником, который будет передавать таблицы "вектор-длина" с указанной малой длиной путей от своего ПК во все подсети.
5. Создание виртуального канала между маршрутизаторами, соединенными не напрямую, а через некоторую транзитную сеть.
В модели OSI на основе алгоритма LSA определены протоколы маршрутизации сетевого уровня:
"оконечная система - транзитная система", ES-IS (End System-to- Intеrmеdiаtе System);
"транзитная система - транзитная система", IS-IS (Intеrmеdiаtе Sуstеm-tо-Intеrmеdiаtе System).
Протоколы типа LSA, в отличие от DVА, посылают информацию о маршрутах только для отображения изменений в своих сетевых соединениях.
Другое отличие заключается в возможности выбора канала передачи из нескольких возможных с учетом одного из параметров маршрутизации, задаваемого пользователем:
Задержки или скорости передачи данных;
Пропускной способности или производительности;
Надежности.
Достоинства маршрутизаторов по сравнению с мостами:
Высокая безопасность данных;
Высокая надежность сетей за счет альтернативных путей;
Эффективное распределение нагрузки по каналам связи за счет выбора наилучших маршрутов для передачи данных;
Большая гибкость за счёт выбора маршрута в соответствии с метрикой, учитывающей его стоимость, пропускную способность каналов связи и т.д.;
Гарантированная защита от "широковещательного шторма";
Возможность объединения сетей с разной длиной пакетов.
Недостатки маршрутизаторов:
Вносят сравнительно большую задержку в передачу пакетов;
Более сложны в установке и конфигурировании, чем мосты;
При перемещении компьютера из одной подсети в другую требуется изменить его сетевой адрес;
Более дорогие, чем мосты, так как требуются более мощные процессоры, больший объем оперативной памяти, более дорогое программное обеспечение, стоимость которого зависит от числа поддерживаемых протоколов.
Х арактерные особенности мостов и маршрутизаторов представлены в табл.4.1.
Сети с протоколами, не обладающими сетевым уровнем и, соответственно, не имеющие сетевого адреса, не могут использовать маршрутизаторы и объединяются с помощью мостов или коммутаторов. Однако существуют маршрутизаторы, которые одновременно могут выполнять функции моста и называются мостами/маршрутизаторами (bridge/router или иногда brouter).
4.2.4 Коммутаторы
Коммутатор по функциональным возможностям занимает промежуточное положение между мостом и маршрутизатором и при объединении сегментов локальных сетей работает на 2-м канальном уровне, то есть коммутирует данные на основе анализа МАС-адресов.
Производительность коммутаторов значительно выше, чем мостов, и достигает нескольких миллионов кадров в секунду.
Каноническая структура коммутатора представлена на рис.122, где КМ - коммутационная матрица; ПП - процессоры портов с буферной памятью для хранения кадров.
В отличие от моста в коммутаторе каждый порт имеет свой процессор, в то время как все порты моста управляются одним процессором. В коммутаторе устанавливается один путь для всех кадров одного и того же сообщения, имеющих один адрес назначения и образующих так называемую «пачку», в то время как в маршрутизаторе для каждого пакета определяется свой наилучший путь. Передача кадров из входных буферов разных портов в выходные буферы коммутатора может происходить параллельно и независимо друг от друга. Эти особенности коммутатора обусловливает меньшие задержки при передаче данных по сравнению с маршрутизаторами.
Коммутационная матрица передаёт кадры из входных буферов в выходные на основе таблицы коммутации. Общее управление коммутатором и коммутационной матрицей реализуется системным модулем, который кроме того поддерживает общую адресную таблицу.
Рис. 122
Коммутаторы могут реализовать один из двух способов коммутации:
С полной буферизацией кадра, когда анализ заголовка поступающего кадра начинается только после того, как кадр будет полностью принят во входной буфер;
«на лету» (on-the-fly ), когда анализ заголовка поступающего кадра начинается сразу же после того, как во входной буфер принят заголовок кадра, не ожидая завершения приёма целиком всего кадра, что позволяет ещё больше сократить задержку кадра в коммутаторе.
Коммутаторы локальных сетей могут работать в одном из двух режимов:
Полудуплексный, когда к порту коммутатора подключается сегмент сети на коаксиальном кабеле или концентратор с подключенными к нему рабочими станциями (рис.123 ,а);
Дуплексный, когда к каждому порту коммутатора подключается только одна рабочая станция (рис.123 ,б).
Подключение к портам коммутатора по одной рабочей станции (а не сегментов) называется микросегментацией.
Рис. 123
Переход на дуплексный режим требует изменения логики работы МАС-узлов и драйверов сетевых адаптеров (не фиксировать коллизии в ЛВС Ethernet , не ждать маркера в Token Ring и FDDI).
Соединения «коммутатор-коммутатор» могут поддерживать дуплексный режим.
При работе коммутатора может возникнуть ситуация, когда на один и тот же выходной порт коммутатора кадры поступают от нескольких входных портов с суммарной интенсивностью, превышающей предельное значение для данной технологии ЛВС, например для ЛВС Ethernet с пропускной способностью 10 Мбит/с - 14880 кадров в секунду. Это приводит к перегрузкам и потерям кадров за счет переполнения выходного буфера соответствующего порта.
Для устранения подобных ситуаций необходим механизм управления потоками кадров.
Для ЛВС Ethernet и Fast Ethernet в 1997 году принят стандарт IEEE 802.3х на управление потоком в дуплексном режиме , предусматривающий две команды «Приостановить передачу» и «Возобновить передачу», которые направляются соседнему узлу. Для высокоскоростных сетей (Gigabit Ethernet и др.) с целью не допустить блокировок всех коммутаторов в сети разрабатываются более тонкие механизмы, которые указывают, на какую величину нужно уменьшить поток кадров, а не приостанавливать его до нуля.
При полудуплексном режиме коммутатор воздействует на конечный узел с помощью механизмов доступа к среде, а именно:
Метод обратного давления, заключающийся в создании искусственных коллизий в сегменте с помощью jаm-последовательности;
Метод агрессивного поведения, когда порт коммутатора уменьшает межкадровый интервал или паузу после коллизии, что обеспечивает коммутатору преимущественный доступ к среде передачи.
Типовые варианты технической реализации коммутаторов представлены на рис.124.
Вариант 1. На основе коммутационной матрицы (рис.124,а).
Рис. 124
Достоинства:
Максимальная производительность;
Высокая надежность.
Недостатки:
Сложность и высокая стоимость;
Ограниченное число портов, поскольку с их увеличением существенно возрастает стоимость.
Вариант 2. На основе общей шины (рис.124,б).
Достоинства:
Простота;
Дешевизна.
Недостатки:
Низкая производительность;
Низкая надежность.
Вариант 3. На основе разделяемой многовходовой памяти (рис.124,в). Этот вариант занимает промежуточное положение между вариантами на основе коммутационной матрицы и на основе общей шины.
Коммутаторы по сравнению с мостами являются более интеллектуальными сетевыми устройствами и обладают рядом дополнительных функций.
1. Поддержка «алгоритма покрывающего дерева» («Spanning Tree»), который позволяет автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети для исключения петель и циклов в маршрутах (замкнутых маршрутов).
Алгоритм «Spanning Tree» реализуется в 3 этапа (рис.125):
Определяется автоматически (коммутатор с меньшим МАС- адресом блока управления) или назначается администратором корневой коммутатор (ККм), от которого строится дерево;
Для каждого коммутатора (Км) определяется корневой порт, через который лежит кратчайший путь к корневому коммутатору;
Для каждого сегмента () сети выбирается назначенный порт - порт, который обеспечивает кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого коммутатора.
2. Трансляция протоколов канального уровня.
Рис. 125
Коммутаторы транслируют протоколы по тем же алгоритмам, что и транслирующие мосты.
3. Фильтрация кадров в соответствии с заданными условиями (например, ограничивают доступ к некоторым службам сети).
4. Приоритезация трафика независимо от технологии сети, например путём: приписывания приоритета портам коммутатора или назначения приоритета кадрам.
Свойства коммутаторов, позволяющие локализовать и контролировать потоки данных, а также управлять ими с помощью пользовательских фильтров, позволяют использовать коммутаторы для построения виртуальных ЛВС (ВЛВС, VLAN - Virtual LAN).
4.2.5 Шлюзы
Шлюз программно-апп аратный комплекс, соединяющий разнородные сети или сетевые устройства и позволяющий решать проблемы, связанные с различием протоколов и систем адресации.
Шлюзы переводят различные сетевые протоколы и позволяют различным сетевым устройствам не просто соединяться, а работать как единая сеть. В качестве примеров можно назвать пакетные адаптеры (PAD), конверторы протоколов и устройства, соединяющие сети Ethernet и Х.25. В сети Internet шлюзом часто называется межсетевой маршрутизатор.
Шлюзы обеспечивают еще более интеллектуальный и более медленный сервис, чем мосты и маршрутизаторы и могут работать на высших уровнях ОSI-модели.
Протоколы маршрутизации
Крупные объединенные компьютерные сети состоят из множества физических сетей, которые связываются между собой с помощью маршрутизаторов. Автономной системой AS (Autonomous Systems) называют группу сетей и маршрутизаторов R, объединенных общей политикой маршрутизации.
Рисунок 4.8
Если AS может передавать транзитный трафик других сетей, она называется транзитной.
Для определения маршрута внутри AS применяют внутренние протоколы маршрутизации IGP (Interior GatewayProtocols). Наиболее распространенными протоколами внутренней маршрутизации являются протоколы RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First), IGRP (Interior Gateway Routing Protocol), разработанный компанией CISCO, как альтернативный RIP, а затем и его улучшенный вариант EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol).
Автономные системы объединяются между собой при помощи внешних или пограничных (Border) маршрутизаторов, используя протоколы внешней маршрутизации BGP (Border Gateway Protocol). Два соседних маршрутизатора, которые обмениваются информацией внутри AS, называются внутренним и внешним, если они обмениваются информацией, принадлежащей разным системам (рис. 4.8). Связь между разными автономными системами осуществляется с помощью высокоскоростной магистральной или опорной сети (Backbone).
В соответствии с терминологией международного института стандартов ISO используется понятие конечных ES и промежуточных систем IS. Промежуточная система IS (Intermedia Systems) – передающий узел между 2 подсетями. Устройство сети, которые не обладают способностью пересылать пакеты, называется оконечным. В это же время сетевое устройство, обладающее такой возможностью – промежуточной системой IS. Промежуточные системы, которые могут сообщаться внутри домена маршрутизации (эквивалент AS), называются внутридоменные AS и системы, которые общаются с другими доменами, называются междоменными.
Процесс взаимодействия и уровни взаимодействий в соответствии с OSI показан на рис. 4.9.
Рисунок 4.9
Протокол внутренней маршрутизации RIP (Routing Information Protocol) предназначался для небольших сетей. Для нахождения оптимального пути используется алгоритм вектора расстояния DVA (Distance Vector Algorithm) – алгоритм Беллмана-Форда. Маршрут в данном алгоритме характеризуется вектором расстояния до пункта назначения (пункт назначения – направление вектора, метрика – модуль вектора). Маршрутизаторы, которые используют протокол RIP в режиме широковещания, передают список сетей, с которыми они могут связаться, и метрику, содержащую информацию о том, за сколько пересылок, шагов (hops) каждая из этих сетей может быть достигнута.
Пересылкой считается каждый транзитный узел. Каждый маршрутизатор принимает широковещательные сообщения от других маршрутизаторов и добавляет или корректирует полученную информацию в своей таблице маршрутизации.
Таблица маршрутизации содержит по одной записи на каждый маршрут.
Такая запись имеет следующие поля: поле IP адреса пункта назначения, IP-адрес ближайшего (соседнего) маршрутизатора, метрику маршрута – до 15 шагов, таймеры (счетчики времени). Каждый маршрутизатор передает такую широковещательную информацию каждые 30 сек, генерируя достаточно большой трафик. RIP работает на сетевом уровне стека TCP/IP, используя протокол UDP (порт 520).
Каждый маршрут содержит счетчики тайм-аута и «сборщики» маршрутов. Счетчик тайм-аута сбрасывается в нуль при коррекции или инициализации маршрута. Если к моменту последней коррекции прошло 3 мин, маршрут закрывается, однако запись о нем в таблице сохраняется до наступления времени «сборка маршрута».
Формат сообщения протокола RIP имеет вид (рис. 4.10). Поле «Команда» определяет вид сообщения:
Код 1 – запрос на получение информации, код 2 – отклик, содержащий информацию о расстояниях из маршрутной таблицы отправителя, код 3 - включение режима трассировки, код 4 – выключение режима трассировки. Поле «Версия» для протокола RIP-1 равно 1. Номер протоколов, которые используются в соответствующей сети (для Интернет поле имеет значение, равное 2). Поле стоимость – число шагов. В одном сообщении может иметься информация до 25 маршрутов.
Рисунок 4.10
1. Таймер обновления – 70 сек (посылается всем соседям);
2. Таймер устаревшего маршрута – 90 сек;
3. Таймер удаления маршрута - 240 сек.
В протоколе RIP реализовано правило расщепления горизонта при модификации (Split Horizon Updates), которое препятствует появлению маршрутных петель в две пересылки, однако петли, включающие три и больше пересылок могут возникать.
Протокол RIP прос в инсталляции, эксплуатации, в связи с чем получил широкое распространение. Вместе с тем ему присущи следующие недостатки: RIP не способен определять путь, основываясь на таких параметрах как ширина полосы пропускания, загрузка канала, время ожидания. Протокол RIP имеет медленную сходимость, не способен поддерживать маски подсетей. В современных сетях число шагов равное 15, становится недостаточным.
Протокол маршрутизации внутренних шлюзов IGRP(Interior Gateway Routing Protocol) работает на основе использования алгоритма вектора расстояния DVA. Протоколы маршрутизации с вектором расстоянии требуют от каждого маршрутизатора отправления через определенные интервалы времени соседним маршрутизаторам всей или части своей таблицы маршрутизации, используя сообщения о корректировки маршрута. После того, как маршрутная информация распределиться по сети, маршрутизатор может вычислить расстояние до всех узлов объединенной сети.
Максимальное число транзисторных участков в этом протоколе может быть равным 255, а не 15 как в протоколе RIP. При формировании таблиц маршрутизации задаются следующие параметры:
1. Расстояние – число в диапазоне от 1 до 255.
2. Задержка. Измеряется кратно 10 мс. Для сетей E задается показателем 100.
3. Полоса от 1200 бит/с до 10 Гбит/с.
4. Надежность. Оптимальное значение составляет 255.
5. Загруженность канала в долях числа 255.
Для регулирования производительности применяются следующие таймеры:
1. Таймер обновления (по умолчанию 90с) – задает период передачи сообщения.
2. Таймер устаревшего маршрута. Столько времени ожидает маршрутизатор обновления, прежде чем объявить маршрут устаревшим (задается три периода обновления).
3. Таймер блокировки (по умолчанию 10 с).
4. Таймер удаления маршрута (семь периодов обновления).
Протокол предусматривает три типа маршрутов:
системные – ведущие в сети в рамках AS,
внешние – маршруты в сети вне AS.
Внешние, связанные с наличием граничного пути
Структура таблицы маршрутизации имеет вид, показанный на рис. 4.11
Рисунок 4.11
Первое поле в заголовке таблицы маршрутизации – номер версии,
затем следует поле операционного кода (OP Code). Это поле обозначает вид пакета. Код, равный 1, определяет пакет корректировки, код 2 – пакет запроса. Пакеты запроса использует маршрутизатор для получения информации о маршрутных таблицах других маршрутизаторов. Эти пакеты состоят только из заголовка, операционного кода и номера AS. Пакеты корректировки содержат заголовок, за которым следует записи данных маршрутных таблиц. Этот пакет не должен превышать 1500 байт. Далее следует поле редактирование, которое содержит последовательный номер, указывающий, когда маршрутная таблица изменялась. Далее следует номер автономной системы AS. Следующие поля определяют номер внешних сетей, главных сетей и подсетей. Последнее поле в заголовке – поле контрольной суммы. Сообщения о корректировке содержит семь полей данных для каждой записи данных маршрутной таблицы. Первое поле – 3 байта адреса IP, следующее – задержка, выраженная в десятках микросекунд, далее – поле ширины полосы в единицах 1 Кбит/с, затем идет поле размера блока данных MTU, поле надежности в процентах. Следующим является поле – загрузка, указывающее в процентах занятость канала. Последнее поле – число пересылок (счетчик шагов).
Протокол внешнего шлюза EGP (Exterion Gateway Protocol) – используется алгоритм вектора расстояния DVA для соединения AS через центральную сеть (ядро). Маршрутизатор выполняет следующие функции: выделяет соседей, с которыми обменивается информацией о достижении тех или иных сетей, посылает сообщения о их работоспособности, передает сообщения об обновлении, указывает информацию о доступности сетей для данной AS.
Типы сообщений:
1. Проверочные, если нужно установить работают ли соседние маршрутизаторы.
2. Сообщения о достижимости соседа (не выключен ли соседний маршрутизатор).
3. Сообщения о неисправности.
Протокол граничного шлюза BGP (Border Gateway Protocol) предназначен для обеспечения взаимодействий разных AS. Этот протокол можно использовать для организации связей не только между AS, но и внутри их. В BGP – нет ядра. Когда маршрутизатор подключается к сети, он получает от соседей полную таблицу маршрутизации, хранит информацию обо всех маршрутах, ведущих до пункта назначения.
Открытый протокол с алгоритмом поиска кратчайшего пути OSPF {Open Shortest Path First) – это протокол внутренних маршрутизаторов. Он гораздо сложнее RIP-протокола, однако OSPF может функционировать в сетях любой сложности и не имеет ограничений, характерных для RIP. Время, используемое на построение таблиц маршрутизации и загрузки сети служебной информацией, в среднем меньше по сравнению с тем, что потребовал бы протокол RIP для такой же системы. Кроме этого, переходные процессы в OSPF завершаются быстрее, чем в RIP. OSPF представляет собой протокол учета состояния канала LSA (Link State Algorithm), в котором маршрутизация выполняется по алгоритму Дийкстры. В качестве метрики используется коэффициент качества обслуживания QoS (Quality of Service). Каждый маршрутизатор обладает полной информацией о состоянии всех интерфейсов всех маршрутизаторов (узлов коммутации) автономной системы. Протокол OSPF реализован программным модулем - демоном маршрутизации gated, который поддерживает также RIP и внешний протокол маршрутизации BGP. Качество обслуживания (QoS) характеризуется следующими параметрами: пропускной способностью канала, задержкой (временем распространения пакета), загрузкой канала, требованиями безопасности, типом трафика, числом шагов до места назначения, надежностью передачи пакетов.
Доминирующими являются три характеристики: задержка, пропускная способность и надежность. На практике чаще всего метрика связи в OSPF определяется как количество секунд, требуемых для передачи 100 Мбит по каналу, через который проложен маршрут. Например, метрика сети на основе 10BASE-T Ethernet равна 10, метрика канала модемной связи со скоростью 56 кбит/с составляет 1785, а канала со скоростью 100 Мбит и выше равна 1.
Для транспортных целей OSPF применяет протокол IP непосредственно, т.е. не привлекая протоколы UDP или TCP. OSPF имеет свой код в протокольном поле IP-заголовка. Код типа обслуживания ToS {type of service) в IP-пакетах, содержащих OSPF-сообщения, равен нулю, значение типа обслуживания ToS здесь задается в самих пакетах OSPF.
Маршрутизация в протоколе OSPF определяется IP-адресом и типом сервиса. В связи с тем, что протокол не требует инкапсуляции пакетов, существенно облегчается управление сетями с большим количеством мостов и сложной топологией (исключается циркуляция пакетов, сокращается транзитный трафик). Автономная система может быть разделена на отдельные области, каждая из которых становится объектом маршрутизации, а внутренняя структура снаружи не видна. Этот прием позволяет значительно сократить необходимый объем маршрутной базы данных. В OSPF используется термин магистральная сеть {backbone), обозначающий среду для коммуникаций между выделенными областями. Протокол OSPF работает лишь в пределах автономной системы.
В стеке протоколов TCP/IP протокол OSPF находится непосредственно над протоколом IP, его код равен 89. Поэтому если значение поля "Протокол" IP-дейтаграммы равно 89, то данные дейтаграммы являются сообщением OSPF и передаются OSPF-модулю для обработки. Соответственно размер OSPF сообщения ограничен максимальным размером дейтаграммы.
При передаче OSPF-пакетов фрагментация не желательна, но не запрещается. Для передачи статусной информации OSPF использует широковещательные сообщения Hello. Повышение безопасности обеспечивается авторизацией процедур. Протокол OSPF требует резервирования двух групповых адресов: адрес 224.0.0.5 - предназначен для обращения ко всем маршрутизаторам, поддерживающим этот протокол; адрес 224.0.0.6 - служит для обращения к специально выделенному маршрутизатору. Любое сообщение OSPF начинается с 24-октетного заголовка (рисунок 4.12).
Рисунок 4.12
Поле "Версия" определяет версию протокола. Поле "Тип" идентифицирует функцию сообщения, в частности: код 1- Hello (используется для проверки доступности маршрутизатора); код 2 - Описание базы данных (топология); код 3 - Запрос состояния канала; код 4 - Изменение состояния канала; код 5- Подтверждение получения сообщения о статусе канала.
Поле "Длина сообщения" указывает длину блока в октетах, включая заголовок. "Идентификатор области" - 32-битный код, задающий область, которой данный пакет принадлежит. Все OSPF-пакеты ассоциируются с той или иной областью. Большинство из них не преодолевает более одного шага. Пакеты, перемещающиеся по виртуальным каналам, помечаются идентификатором опорной (магистральной) области {backbone).
Поле "Контрольная сумма" содержит проверочную сумму IP-пакета, включая поле типа идентификации. Поле "Тип идентификации" может принимать значения 0 при отсутствии контроля доступа, и 1 при его наличии. В дальнейшем функции поля предполагается расширить.
Для взаимообмена данными между соседними маршрутизаторами протокол OSPF использует сообщения типа Hello. Важную функцию в этих сообщениях выполняет однобайтное поле "Опции", служащее для объявления состояния канала и описания базы данных.
Структура пакетов этого типа показана на рисунке 4.13.
Рисунок 4.13
Особую роль в поле "Опции" играют младшие биты Е и Т: Бит Е характеризует возможность внешней маршрутизации и имеет значение только в сообщениях типа Hello, в остальных сообщениях этот бит должен быть обнулен. Если Е=0, то данный маршрутизатор не будет посылать или принимать маршрутную информацию от внешних автономных систем. Бит Т определяет сервисные возможности маршрутизатора. Если Т=0, это означает, что маршрутизатор поддерживает только один вид услуг (тип сервиса ToS=0) и он не пригоден для маршрутизации с учетом вида услуг. Такие маршрутизаторы, как правило, не используются для транзитного трафика.
Поле "Сетевая маска" сообщения Hello соответствует маске подсети данного интерфейса. Поле "Время между Hello" содержит значение времени в секундах, между сообщениями Hello. Поле "Опции" характеризует возможности, которые предоставляет данный маршрутизатор. Поле "Приоритет" задает уровень приоритета маршрутизатора, используемый при выборе резервного {backup) маршрутизатора. Если приоритет равен нулю, данный маршрутизатор никогда не будет реализован в качестве резервного. Поле "Время отключения маршрутизатора" определяет временной интервал в секундах, по истечении которого "молчащий" маршрутизатор считается вышедшим из строя. IP-адреса маршрутизаторов, записанные в последующих полях, указывают место, куда следует послать данное сообщение, Поля "IP-адрес соседа к" образуют список адресов соседних маршрутизаторов, откуда за последнее время были получены сообщения Hello.
Маршрутизаторы обмениваются сообщениями из баз данных OSPF, чтобы инициализировать, а в дальнейшем актуализовать свои базы данных, характеризующие топологию сети. Обмен происходит в режиме клиент-сервер. Клиент подтверждает получение каждого сообщения. Формат пересылки записей из базы данных изображен на рисунке 4.14.
Рисунок 4.14
Если размер базы данных велик, ее содержимое может пересылаться по частям. Для реализации этого используются биты I и М. Бит I устанавливается в 1 в стартовом сообщении, а бит М принимает единичное состояние для сообщений, которые являются продолжением. Бит S определяет, кем послано сообщение (S=l для сервера, S=0 для клиента, этот бит иногда имеет имя MS).
Поле "Порядковый номер сообщения" служит для контроля пропущенных в процессе обмена информацией блоков. Первое сообщение содержит в этом поле случайное целое число М, последующие: М+1, M+2,...M+L. Поле "Тип канала" содержит коды, определяющие состояние каналов, а именно, его интерфейсов, описание внешних связей автономных систем.
Поле "Идентификатор канала" указывает вид идентификатора, в качестве которого может быть IP-адрес маршрутизатора или сети. Маршрутизатор, объявляющий канал, определяет адрес этого маршрутизатора. Поле "Порядковый номер канала" позволяет маршрутизатору контролировать порядок прихода сообщений и их потерю. Поле "Возраст канала" задает время в секундах с момента установления связи. После обмена сообщениями с соседями маршрутизатор может выяснить, что часть данных в его базе устарела. Он может послать своим соседям запрос с целью получения свежей маршрутной информации о каком-то конкретном канале связи. Сосед, получивший запрос, высылает необходимую информацию.
Маршрутизаторы посылают широковещательные (или групповые) сообщения об изменении состояния своих непосредственных связей. Сообщения об изменениях маршрутов могут быть вызваны следующими причинами: возраст маршрута достиг предельного значения, изменилось состояние интерфейса, произошли изменения в маршрутизаторе сети, произошло изменение состояния одного из соседних маршрутизаторов, изменилось состояние одного из внутренних маршрутов (появление нового, исчезновение старого и т.д.), изменение состояния межзонного маршрута, появление нового маршрутизатора, подключенного к сети, вариация виртуального маршрута одним из маршрутизаторов, возникли изменения одного из внешних маршрутов, маршрутизатор перестал быть пограничным для данной автономной системы (например, перезагрузился).
Маршрутизатор, получивший OSPF-пакет, посылает подтверждение его приема. Возможно подтверждение одним пакетом получения нескольких объявлений о состоянии линий. Адресом места назначения этого пакета может быть индивидуальный маршрутизатор, их группа или все маршрутизаторы автономной системы.
Сообщения посылаются для каждой транзитной сети в автономной системе. Транзитной считается сеть, которая имеет более одного маршрутизатора и административная политика автономной системы позволяет передавать через свои сети транзитный трафик других AS. Сообщение о сетевых связях должно содержать информацию обо всех маршрутизаторах, подключенных к сети, включая тот, который рассылает эту информацию. Расстояние от сети до любого подключенного маршрутизатора равно нулю для всех видов сервиса (TOS), поэтому поля TOS и метрики в этих сообщениях отсутствуют.
Маршрутная таблица OSPF включает следующие поля:
- IP-адрес места назначения и маску;
- тип места назначения (сеть, граничный маршрутизатор и т.д.);
- тип функции (возможен набор маршрутизаторов для каждой из функций ToS);
- область (описывает область, связь с которой ведет к цели; возможно несколько записей данного типа, если области действия граничных маршрутизаторов перекрываются);
- тип пути (характеризует путь как внутренний, межобластной или внешний, ведущий к автономной системе AS);
- цена маршрута до цели;
- очередной маршрутизатор, куда следует послать дейтаграмму;
- объявляющий маршрутизатор (используется для межобластных обменов и для связей автономных систем друг с другом).
К преимуществам протокола маршрутизации OSPF следует отнести:
- возможность применения для любого получателя нескольких маршрутных таблиц, по одной на каждый вид IP-операции;
- каждому интерфейсу присваивается безразмерная цена, учитывающая пропускную способность, время транспортировки сообщения; собственная цена (коэффициент качества) может быть присвоена любой IP-операции;
- при существовании эквивалентных маршрутов OSFP распределяет поток равномерно по этим маршрутам;
- поддерживается адресация подсетей (разные маски для разных маршрутов);
- при связи точка-точка не требуется IP-адрес для каждого из конечных интерфейсов;
- применение групповой рассылки вместо широковещательных сообщений снижает загрузку значительной части сегментов.
Недостаток протокола OSPF состоит в том, что трудно получить информацию о предпочтительности каналов для узлов, поддерживающих другие протоколы, или протоколы со статической маршрутизацией. Кроме того, OSPF является только внутренним протоколом.
