Общие сведения о маршрутизирующих протоколах

9.1. Основные параметры протоколов маршрутизации

Совокупность сетей, представленных набором маршрутизаторов под общим административным управлением, образует автономную систему (рис 9.1). Автономные системы нумеруются, и в некоторых протоколах (IGRP, EIGRP) эти номера используются.

Маршрутизаторы объединяют сегменты сетей или отдельные локальные сети в составную (распределенную) сеть. Маршрутизаторы функционируют в дейтаграммных сетях с коммутацией пакетов, где все возможные маршруты уже существуют. Поэтому пакету нужно лишь выбрать наилучший путь, на основе метрики протокола маршрутизации. Процесс прокладывания пути производится последовательно от одного маршрутизатора к другому. Этот процесс маршрутизации (routing) является функцией Уровня 3 модели OSI. При прокладывании пути пакета маршрутизатор анализирует сетевой адрес узла назначения, заданный в заголовке пакета, и вычленяет из него адрес сети. Адреса сетей назначения хранятся в таблице маршрутизации. Поэтому маршрутизатор должен создавать и поддерживать таблицы маршрутизации, а также извещать другие маршрутизаторы о всех известных ему изменениях в топологии сети.

Маршрутизацию, т. е. прокладывание маршрута внутри автономных систем, осуществляют маршрутизирующие протоколы внутреннего шлюза (Interior Gateway Protocols – IGPs ), к которым относятся RIP, RIPv2, IGRP, EIGRP, OSPF, Intermediate System-to-Intermediate System (IS-IS). Маршрутизацию между автономными системами производят протоколы внешнего шлюза (Exterior Gateway Protocols – EGPs ). Примером протокола внешнего шлюза является протокол BGP, который работает на граничных маршрутизаторах автономных систем (рис 9.1).

Маршрутизирующие протоколы, работающие внутри автономных систем, в свою очередь подразделяются на протоколы вектора расстояния (distance-vector) и протоколы состояния канала (link-state). Протоколы вектора расстояния определяют расстояние и направление, т. е. вектор соединения в составной сети к адресату. Расстояние может быть выражено в количестве переходов (hop count) или маршрутизаторов в соединении на пути от узла источника к адресату назначения, а также других значениях метрики.

При использовании алгоритма вектора расстояния маршрутизаторы посылают всю или часть таблицы маршрутизации соседним (смежным) маршрутизаторам через определенные интервалы времени. В таких протоколах, как RIP, обмен обновлениями (update) или модификациями происходит, даже если в сети нет никаких изменений, на что затрачивается довольно большая часть полосы пропускания. Получив обновление маршрутной информации, маршрутизатор может заново вычислить все известные пути и произвести изменения в таблице маршрутизации.

Протоколы состояния канала создают полную картину топологии сети и вычисляют кратчайший путь ко всем сетям назначения. Если путей несколько, то выбирают первый из вычисленных. Протоколы состояния канала (или соединения) быстрее реагируют на изменения в сети по сравнению с протоколами вектора расстояния, но при этом требуют больших вычислительных ресурсов.

Когда пакет прибывает на входной интерфейс, маршрутизатор должен использовать таблицу маршрутизации, чтобы определить, по какому маршруту направить пакет, т. е. на какой свой выходной интерфейс передать поступивший пакет. Выходной интерфейс связан с наиболее рациональным маршрутом к адресату назначения. Этот процесс называется коммутацией или продвижением пакета. На выходном интерфейсе пакет инкапсулируется в новый кадр, при этом маршрутизатор добавляет информацию для формирования кадра (см. лекцию 8).

Определение наиболее рационального (оптимального) пути производится маршрутизатором на основе некоторого критерия – метрики. Значение метрики используется при оценке возможных путей. Метрика может включать разные параметры, например:

Маршрутизаторы могут задействовать какой-нибудь один параметр или комбинацию параметров метрики при выборе оптимального маршрута.

Маршрутная информация может быть сконфигурирована сетевым администратором – при этом реализуется статическая маршрутизация. Динамическая маршрутизация реализуется протоколами маршрутизации, когда маршрутная информация собирается в ходе динамического процесса обмена обновлениями (модификациями) между маршрутизаторами, который выполняется в сети.

Таким образом, протоколы маршрутизации (routing protocol) позволяют выбирать маршрутизаторам наилучший путь для данных от источника до устройства назначения. Для этого маршрутизирующие протоколы создают и поддерживают (модифицируют) таблицы маршрутизации путем обмена маршрутной информацией с другими маршрутизаторами в сети. Примерами протоколов маршрутизации являются:

Конфигурирование указанных протоколов рассмотрено в этом курсе лекций.

Маршрутизаторы способны поддерживать много независимых протоколов и таблиц маршрутизации для нескольких сетевых протоколов. Эта способность позволяет маршрутизатору передавать пакеты различных сетевых протоколов по тем же самым каналам связи.

Протоколы и устройства Уровня 2 и Уровня 3 модели OSI постоянно взаимодействуют при передаче данных по сети (рис 9.2).

Это проявляется в виде взаимодействия таблиц ARP (таблица 9.1), функционирующих на Уровне 2, и таблиц маршрутизации протоколов Уровня 3 модели OSI. Каждый компьютер и порт маршрутизатора поддерживает таблицы ARP, каждая строка которых содержит пару соответствующих IP- и MAC-адресов, и функционируют они только в пределах широковещательного домена, т. е. в пределах сети или подсети.

Таблицы маршрутизации позволяют передавать пакеты за пределы широковещательного домена. Строки таблицы маршрутизации (таблица 9.2) с меткой С отображают непосредственно присоединенные к маршрутизатору сети, а с меткой R – сети, путь к которым проложен с помощью протокола RIP. В каждой строке также представлены: расстояние до сети назначения, выраженное в количестве переходов между маршрутизаторами (hop); выходной интерфейс маршрутизатора на пути к сети назначения.

На Уровне 2 модели OSI функционируют коммутаторы, которые соединяют сегменты одной локальной сети или подсети, используя МАС- адреса. Для соединения с хостами вне локальной сети коммутатор продвигает кадр на маршрутизатор. Хост использует МАС-адрес входного интерфейса маршрутизатора как адрес назначения. Неизвестный МАС- адрес хост узнает из таблицы ARP. Маршрутизатор cверяет IP-адрес сети назначения с таблицей маршрутизации и продвигает пакет на выходной порт в соответствии с найденной строкой таблицы маршрутизации.

Поскольку коммутаторы не блокируют широковещательные передачи, сети на коммутаторах могут быть затоплены широковещательными штормами. Маршрутизаторы блокируют широковещательные передачи, поэтому широковещательный шторм может быть только в пределах широковещательного домена (broadcast domain). Поэтому маршрутизаторы по сравнению с коммутаторами обеспечивают большую безопасность и контроль полосы пропускания.

Маршрутизаторы используют протоколы маршрутизации, чтобы создавать и поддерживать таблицы маршрутизации для определения маршрута. При этом таблицы маршрутизаторов разных фирм производителей и разных протоколов маршрутизации могут иметь несколько различающуюся маршрутную информацию. В большинстве случаев таблицы маршрутизации содержат:

Маршрутизаторы поддерживают таблицы маршрутизации через обмен обновлениями или модификациями (update). Некоторые протоколы передают обновления периодически, например, протоколы RIP. Другие протоколы посылают модификации только когда происходят изменения в сетевой топологии, например, OSPF, EIGRP.

Маршрутизаторы, зная информацию о пути к некоторым сетям, обмениваются этой информацией с другими маршрутизаторами. Следовательно, после таких обновлений или модификаций все маршрутизаторы в сети будут иметь согласованную информацию о маршрутах к доступным сетям. Таким образом, маршрутизирующие протоколы разделяют сетевую информацию между маршрутизаторами.

Различные протоколы маршрутизации используют разные алгоритмы при выборе маршрута, т. е. выходного порта, на который должен быть передан пакет. Алгоритм и метрика определяются целым рядом решаемых задач, таких как простота, устойчивость, гибкость, быстрая сходимость (convergence). Сходимость – это процесс согласования между всеми маршрутизаторами сети информации о доступных маршрутах. При изменениях состояния сети необходимо, чтобы обмен модификациями восстановил согласованную сетевую информацию.

Каждый алгоритм по-своему интерпретирует выбор наиболее рационального пути на основе метрики. Обычно меньшее значение метрики соответствует лучшему маршруту. Метрика может базироваться на одном или на нескольких параметрах пути. В протоколах маршрутизации наиболее часто используются следующие метрики.

9.2. Протоколы вектора расстояния и состояния канала

Протоколы вектора расстояния рассылают обновления маршрутной информации или модификации (updates) периодически через определенный промежуток времени. При этом обновляются таблицы маршрутизации, которые и хранят всю информацию о маршрутах в сети. При изменении в сети маршрутизатор, обнаруживший такое изменение, сразу начинает обмен маршрутной информацией с соседними маршрутизаторами. Этот обмен идет последовательно от маршрутизатора к маршрутизатору с некоторой задержкой, определяемой временем модификации таблиц в каждом маршрутизаторе, а также специальным таймером. Поэтому сходимость ( конвергенция ) сети, когда все маршрутизаторы будут иметь согласованную информацию о сетевых соединениях, складывается медленно, что является главным недостатком протоколов вектора расстояния.

Протоколы состояния соединения или канала (Link-state) быстро реагируют на изменения в сети, рассылая модификации при изменениях в сетевой топологии всем маршрутизаторам в пределах некоторой области сети. Протоколы состояния канала создают таблицы маршрутизации на основе информации, хранящейся в специальной базе данных ( link-state database ). В базе данных хранится один или несколько путей к адресату назначения, из которых выбирается первый кратчайший путь (shortest path first), который и помещается в таблицу маршрутизации. Если первый путь становится недоступным, то из базы данных оперативно, без дополнительных вычислений, может быть выбран другой.

Когда происходят изменения в маршрутах или каналах (пропадают ранее существовавшие или появляются новые), маршрутизатор, первым заметивший изменение в сети, создает извещение о состоянии этого соединения (Link-State Advertisement – LSA ). Сообщение LSA затем передается всем соседним маршрутизаторам. Каждый маршрутизатор, получив копию LSA, модифицирует свою базу данных и транслирует LSA всем соседним устройствам. Волновое распространение пакетов (flooding), когда каждое сетевое устройство пересылает пакеты LSA всем своим соседям, предопределяет, что все устройства маршрутизации создадут базы данных, которые согласованно будут отражать сетевую топологию перед модификацией таблиц маршрутизации.

Наиболее известным в сети Internet протоколом типа distance-vector является Routing Information Protocol (RIP), который использует в качестве метрики число переходов ( hop count ) на пути к адресату назначения.

Другим типичным протоколом вектора расстояния является Interior Gateway Routing Protocol ( IGRP ), который был разработан в корпорации Cisco. Для работы в больших сложных сетях на смену ему пришел протокол Enhanced IGRP (EIGRP), который включает много особенностей протоколов как типа link-state, так и distance-vector. Поэтому он был назван гибридным протоколом (hybrid). Разработчики корпорации Cisco относят его к протоколам distance-vector.

Протокол вектора расстояния RIP Version 1 ( RIPv1 ), или просто RIP, использует счетчик переходов (hop count) в качестве метрики, чтобы определить направление и расстояние до определенного соединения в составной сети. Если существует несколько путей, то RIP выберет путь с наименьшим числом маршрутизаторов или переходов (hops) к адресату назначения. Однако выбранный маршрут не всегда является лучшим путем к адресату, поскольку выбранный маршрут с наименьшим числом устройств может характеризоваться меньшей скоростью передачи (меньшей полосой пропускания) по сравнению с альтернативными маршрутами. Кроме того, RIP не может направлять пакеты далее 15 переходов (15 hops), поэтому он рекомендован для работы в малых и средних сетях. Протокол RIPv1 требует, чтобы все устройства в сети применяли одинаковую маску подсети, поскольку RIP не включает информацию о маске подсети в модификацию (update) маршрутизации. Такой метод получил название маршрутизации на основе классов (classful routing).

Протокол вектора расстояния RIP Version 2 ( RIPv2 ) обеспечивает маршрутизацию на основе префикса CIDR (см. лекцию 7), поскольку в модификацию маршрутизации включена информация о маске подсети (о префиксе). Такой метод получил название бесклассовой маршрутизации (classless routing). При этом внутри одной сети могут существовать подсети с масками переменной длины (Variable-Length Subnet Masking – VLSM).

Протокол EIGRP является расширенной версией протокола IGRP. Он обеспечивает быструю сходимость и малое количество служебной информации, передаваемой в обновлениях, что экономит полосу пропускания. EIGRP является расширенной версией протоколов distance-vector и использует ряд функций протоколов link-state. Протоколы EIGRP и IGRP работают с оборудованием CISCO и не всегда поддерживаются программным обеспечением аппаратуры других фирм.

Наиболее известными в сети Internet протоколами типа Link-state являются протокол Open Shortest Path First (OSPF), а также протокол Intermediate System-to-Intermediate System (IS-IS).

OSPF является маршрутизирующим протоколом состояния канала, разработанным фирмой Engineering Task Force (IETF). Он предназначен для работы в больших гибких составных сетях. Он может работать с оборудованием разных фирм-производителей, поэтому получил широкое распространение.

Протокол граничного шлюза ( Border Gateway Protocol – BGP ) относится к внешним протоколам External Gateway Protocol (EGP). Протокол обеспечивает обмен маршрутизирующей информацией между автономными системами, гарантирует выбор пути, свободный от маршрутных петель (loop-free). Протокол BGP применяется основными сетевыми компаниями, в том числе Интернет-провайдерами. Протокол BGP принимает решение о выборе маршрута на основе сетевой политики.

9.3. Протокол RIP

Протокол RIP для своей работы использует алгоритм Беллмана- Форда. Пример функционирования алгоритма в сети из четырех последовательно соединенных маршрутизаторов приведен на рис 9.3, где Сеть 1 непосредственно присоединена к маршрутизатору А, поэтому метрика пути к Сети 1 равна 0.

Согласно алгоритму Беллмана-Форда маршрутизатор В получает информацию о пути в Сеть 1 от маршрутизатора А, добавляет 1 к значению вектора расстояния, т. е. увеличивает метрику (hop count) до единицы и затем посылает копию таблицы маршрутизации маршрутизатору С. В свою очередь, маршрутизатор С повышает значение метрики до 2 и обменивается маршрутной информацией с маршрутизатором D, который увеличивает значение метрики до 3. То есть результирующий вектор, или расстояние в сети, поэтапно увеличивается.

Эта особенность алгоритма может приводить к появлению маршрутных петель в случае медленной конвергенции после изменений в сети (например, см. рис 9.4.). Предположим, что до изменений наилучшим путем к Сети 1 для маршрутизатора D, был путь через маршрутизаторы С и В.

Метрика пути из маршрутизатора D в Сеть 1 была равна 3 переходам. Если, например, вышла из строя Сеть 1 (рис 9.4), то начинается обновление маршрутной информации. При этом может возникнуть маршрутная петля.

Таким образом, образовалась маршрутная петля, из которой пакет не может выйти, если не принять специальных мер.

Меры борьбы с маршрутными петлями

Движение по петле теоретически может быть бесконечным. Однако в существующих протоколах имеется ряд средств, чтобы предотвратить бесконечную циркуляцию пакетов по петле маршрутизации.

Таким образом, указанные меры борьбы с маршрутными петлями позволяют маршрутизаторам избегать их. Но время конвергенции протокола RIP велико, по сравнению с протоколами состояния канала linkstate. Поэтому протокол RIP используется только в малых сетях. Однако у названного протокола есть важное достоинство: для его функционирования требуется существенно меньшие объем оперативной памяти и быстродействие центрального процессора. Поэтому данный протокол разработан для новой версии адресации IPv6.

Для обеспечения маршрутизации на основе префикса CIDR и возможности использования сетевых масок переменной длины VLSM разработан и эксплуатируется протокол вектора расстояния RIPv2. Однако все другие параметры у него аналогичны протоколу RIPv1.

Краткие итоги

Вопросы

Упражнения