Опубликован: 30.07.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 1862 / 145 | Длительность: 24:05:00
Лекция 6:

Протокол розыска соседей

Модели хоста, канала и подсети IPv6

Если птица ходит уткой, плавает уткой и крякает уткой, то ее называют уткой. (Дж. У. Райли)

CROWD: A witch! A witch! A witch! We've got a witch! A witch!

VILLAGER #1: We have found a witch, might we burn her?

CROWD: Burn her! Burn!

BEDEMIR: How do you know she is a witch?

VILLAGER #2: She looks like one.

BEDEMIR: Bring her forward.

WITCH: I'm not a witch. I'm not a witch.

BEDEMIR: But you are dressed as one.

WITCH: They dressed me up like this.

(Monty Python and the Holy Grail)

Вертит, как цыган солнцем. (Украинская поговорка)

До сих пор мы говорили об узлах IPv6 в целом, практически не проводя границ между хостом и маршрутизатором, и это было вполне оправданно, пока мы обсуждали базовые механизмы IPv6, не зависящие от типа узла.

Нам не повредит напомнить себе лишний раз определения хоста и маршрутизатора IP. В идеале, хост только создает и потребляет пакеты, тогда как маршрутизатор занят исключительно тем, что продвигает пакеты хостов. Конечно, на практике маршрутизатор обычно содержит в себе элементы хоста , необходимые для обработки служебных сообщений, удаленного управления и участия в протоколах маршрутизации.

Однако рано или поздно перед нами должен встать вопрос, можем ли мы положиться на наш опыт IPv4 и по-прежнему считать различия в устройстве и поведении хоста и маршрутизатора незначительными во всем, что не касается функции продвижения транзитного трафика.

Ведь, как мы знаем, в IPv4 произошла конвергенция этих двух типов узла, в результате чего между ними не осталось принципиальных отличий, а выбор роли узла свелся к настройке флажка, пропускать ли транзитный трафик. Современные операционные системы готовы обеспечить работу и хоста, и маршрутизатора IPv4, используя один и тот же программный код, а за этим стоит единство алгоритмов и структур сетевого стека. В частности, оба типа узлов IPv4:

  1. пользуются таблицей маршрутов одного и того же вида: "префикс \to следующий шаг" [ср. §3.3.1.2 RFC 1122 и §5.2.4.3 RFC 1812];

    Хотя [§3.3.1.2 RFC 1122] говорил, что полноценная таблица маршрутов — необязательный элемент в сетевом стеке хоста IPv4, на практике она встречается повсеместно.

  2. одинаковым способом определяют, является ли удаленный узел соседом, сопоставляя префиксы на своих сетевых интерфейсах с адресом удаленного узла [ср. §3.3.1.1 RFC 1122 и §5.2.4.2 RFC 1812].

Мы сознательно не упоминаем ненумерованные интерфейсы "точка-точка", так как они не требуют розыска соседей.

А на самом глубоком уровне такую конвергенцию обеспечивает определенная модель взаимодействия хостов и маршрутизаторов одной подсети. Согласно этой модели, хост сам принимает решение, кому из соседей передать исходящий пакет, тогда как маршрутизатор только продвигает транзитный трафик, который был передан ему хостом. Чтобы эта модель работала, хост должен обладать полной информацией о логической топологии канала, которому назначена подсеть. Только тогда хост сможет правильно принять решение о том, является ли удаленный узел соседом. Это очень важное решение; ведь если хост ошибется и посчитает соседом узел, который на самом деле доступен только через маршрутизатор, то попытка передать ему пакет будет обречена на неудачу.

Сейчас мы снова опираемся на постулат, который утверждает, что одна подсеть отвечает не более чем одному каналу [§2.1 RFC 4291].

Проанализируем с этой точки зрения тест на соседство IPv4. Допустим, что узел А собирается передать пакет, адресованный узлу Б, посредством одного из своих интерфейсов И, которому назначены адреса 192.0.2.3/28 и 203.0.113.131/28. Следовательно, с точки зрения узла А, каналу , к которому подключен интерфейс И, назначены подсети 192.0.2.0/28 и 203.0.113.128/28. Если адрес назначения пакета Б равен 192.0.2.8 или, скажем, 203.0.113.136, то узел А немедленно определит, что этот адрес принадлежит соседу, потому что он содержит префикс непосредственно подключенной подсети. С точки зрения IP, такой пакет можно передать напрямую его адресату, полагаясь на канальный уровень стека. В то же время, ни один из адресов 192.0.2.150, 198.51.100.1 или 203.0.113.2 не принадлежит соседу, и, следовательно, такие адресаты доступны только косвенно, через маршрутизатор.

На самом деле, тому же каналу могут быть назначены и другие подсети IPv4, о которых узел А не знает, потому что из них ему адрес не назначили.

Эта логика IPv4 основана на гипотезе, что все узлы одной подсети — попарно соседи и могут передавать друг другу пакеты напрямую, не задействуя маршрутизатор. Такое допущение, безусловно, справедливо для широковещательных каналов, например, Ethernet, равно как и для соединений "точка-точка". Но насколько оно универсально? Существуют ли каналы, в которых оно не выполняется?

Оказывается, что в действительности спрос на такие каналы есть. Их принято обозначать термином "каналы множественного доступа без широковещания" или аббревиатурой NBMA (Non-Broadcast Multiple Access). Это не совсем точный термин, потому что на практике в каналах NBMA обычно отсутствует не только широковещание, но и свободная адресация одних узлов другими. Простейший пример такого канала — это топология "звезда" (рис. 5.15), где концевые узлы могут передавать пакеты центральному узлу (концентратору), тогда как напрямую обмениваться данными друг с другом концевые узлы не могут. В топологии "звезда" концентратор — сосед любому концевому узлу, и наоборот, но никакие концевые узлы — не соседи друг другу.

Канал NBMA "звезда" и его граф

Рис. 5.15. Канал NBMA "звезда" и его граф

Классические примеры каналов NBMA — это "звезды" на основе Frame Relay и ATM, где каждый "луч" был виртуальным соединением (virtual circuit).

Современными примерами каналов NBMA типа "звезда" служат кабельные, сотовые и xDSL-сети. В отличие от Ethernet и WiFi, в них концентратор не играет роли коммутатора. Поэтому обмен пакетами между конечными узлами в них возможен только на сетевом уровне, при поддержке маршрутизатора, логика которого часто встроена в сам концентратор.

Но даже локальную сеть Ethernet можно превратить в "звезду" NBMA с помощью частных VLAN. Делают это из соображений безопасности, чтобы централизованно управлять доступом между конечными узлами, не отказываясь при этом от простой схемы "одна ЛВС и одна подсеть".

Если бы мы проводили теоретический анализ топологии канала, то нам, возможно, следовало бы различать схемы "общая среда без широковещания" (когда возможна индивидуальная передача любому узлу, если его канальный адрес заранее известен) и "точка-многоточка" (звезда) в чистом виде [§4.1 RFC 4903]. Однако на практике чаще всего встречается та или иная их комбинация, когда только некоторые пары узлов — соседи между собой. Поэтому для нас сейчас эти две схемы — только частные, крайние случаи более общей модели, в которой возможность узлов канала адресовать друг друга индивидуально и группами ограничена заданным образом. Такую модель вполне допустимо причислить к NBMA.

Конечно, внимательный читатель обоснованно возразит, что такая "звезда" — это вовсе не один канал, а комбинация нескольких каналов "точка-точка", и он будет абсолютно прав, по крайней мере, в теории. Однако, с практической точки зрения, превратить каждый "луч" в отдельный канал — это неудачный выбор. Представьте себе концентратор, к которому уже подключены тысячи абонентов и ежедневно подключаются сотни новых. Если действовать прямолинейно и работать с каждым подключением как с отдельным каналом "точка-точка", то сегодня концентратору потребуется несколько тысяч сетевых интерфейсов, а завтра это число может достичь и миллиона. Хотя теоретик не увидит в этом ничего страшного, на практике число сетевых интерфейсов узла не может расти неограниченно.

Число сетевых интерфейсов узла ограничено не только потому, что программисты-разработчики сетевого стека поленились и использовали неоптимальный, немасштабируемый алгоритм работы с ними. Более фундаментальная проблема в том, что сетевой интерфейс — это центральный объект управления, с которым связана определенная конфигурация практически в каждом компоненте сетевого стека. Впрочем, этот аргумент можно отклонить на том основании, что объем ОЗУ в современных вычислительных системах практически неограничен, а любое число однотипных интерфейсов можно настроить с помощью одного шаблона. Еще один веский аргумент за ограничение числа сетевых интерфейсов заключается в том, что политику сетевой безопасности удобно формулировать в терминах входного и выходного интерфейсов пакета, но тогда число правил такой политики может расти как квадрат числа интерфейсов. Но даже эту трудность можно обойти, объединив интерфейсы в зоны безопасности или перейдя к иной модели управления доступом. Однако в конечном итоге оказывается, что проще ограничить число интерфейсов, нежели постоянно преодолевать препятствия.

Именно поэтому возникает спрос на искусственное решение, когда одна подсеть назначена множеству подключений, а это автоматически превращает их в один канал согласно фундаментальному правилу IP: "Одна подсеть — это один канал" [§2.1 RFC 4291]. Конечно, такая конструкция напоминает цирковой фокус с легким привкусом обмана. Тем не менее, давайте посмотрим, чего будет стоить ее реализация в IPv6. Ведь мы находимся в поле эксперимента, а искомая возможность вполне востребована. Как обычно, в процессе мы встретим и решим более глубокие и общие задачи.

Новые условия таковы, что канал может обладать нетривиальной логической топологией, когда не все его узлы — соседи. Ранее, когда модель канала была простой и требовала соседства между всеми узлами, эта топология канала была скрыта в самом тесте на соседство IPv4. Теперь же информацию о топологии канала придется задавать и хранить явным образом, например, в виде матрицы соседства, где 1 означает пару соседей, а 0 — разъединенную пару узлов. Такие матрицы для канала "звезда" (рис. 5.15) и широковещательного канала с тем же набором узлов приведены в табл. 5.1 и табл. 5.2, соответственно. Придется ли вводить подобную матрицу в настройки каждого из узлов канала?

Интересующие нас матрицы соседства — симметрические, потому что, согласно (нашей модели из §5.1, отношение соседства коммутативно.

Таблица 5.1. Матрица соседства для канала "звезда"
A Б В Г М
А 1 0 0 0 1
Б 0 1 0 0 1
В 0 0 1 0 1
Г 0 0 0 1 1
М 1 1 1 1 1
Таблица 5.2. Матрица соседства для широковещательного канала
А Б В Г М
А 1 1 1 1 1
Б 1 1 1 1 1
В 1 1 1 1 1
Г 1 1 1 1 1
М 1 1 1 1 1

Для начала мы ограничимся каналом, который обслуживает один маршрутизатор. Остальные узлы такого канала — хосты. Если бы топология этого канала была совершенно произвольной, то, наверное, обойтись без дублирования топологической информации было бы нельзя, и понадобился бы какой-то протокол ее распространения.

Однако для IP практическую ценность представляют только топологии, в которых маршрутизатор — сосед каждого хоста. Действительно, в противном случае для беспрепятственной работы канала потребовался бы транзитный трафик через хосты, а это по определению невозможно. Говоря языком элементарной теории графов, граф "звезда" с маршрутизатором в центре будет подграфом любой топологии канала, представляющей интерес в контексте TCP/IP. Это правило иллюстрирует рис. 5.16.

Канал NBMA "бабочка" содержит подграф "звезда"

Рис. 5.16. Канал NBMA "бабочка" содержит подграф "звезда"

Тогда маршрутизатор IPv6 будет естественным хранителем информации о топологии канала, потому что он может обслуживать практически неограниченное число хостов (до \sim 2^{63}) и при этом он заведомо способен передать сведения о топологии канала каждому подключенному хосту. Механизм распространения этих сведений нам сейчас предстоит разработать.

Каких начальных настроек будет достаточно хосту IPv6 с одним сетевым интерфейсом, чтобы начать работу с сетью в таких условиях? Нетрудно убедится, что абсолютный минимум — это его собственный адрес и адрес маршрутизатора. В то же время, длина префикса подсети здесь излишня, так как она больше не содержит информации о топологии канала.

Здесь мы имеем в виду адрес хоста, область которого больше, чем внутриканальная. Помимо него, у хоста будет как минимум один внутриканальный адрес — к этому требованию мы уже пришли в §2.5.

В то же время, адрес маршрутизатора вполне может быть внутриканальным. Мы обсудили это там же, в §2.5.

Конечно же, как это было сказано в §2.6, адрес IPv6 назначают не всему узлу в целом, а определенному его интерфейсу — в данном случае, интерфейсу в интересующий нас канал. По текущим условиям, такой интерфейс у каждого узла один, и это позволяет нам для простоты говорит "адрес узла".

Сергей Субботин
Сергей Субботин

"Теоретически канал с адресацией EUI 64 может соединить порядка 2^63 "

запись вида 2^63  не понятна и отнимает время на попытку ее осмыслить.

ее можно заменить например на записи вида  264  или 1,8 * 1019

 

Павел Афиногенов
Павел Афиногенов

Курс IPv6, в тексте имеются ссылки на параграфы. Разбиения курса на параграфы нет.