Маршрутные протоколы RIP, OSPF и BGP

Может возникнуть вопрос: откуда возникло ограничение на число внешних и внутренних протоколов маршрутизации? Главная причина – согласование метрик сетевых каналов. С внешними протоколами все относительно просто. Во-первых, их мало, во-вторых, практически все они используют для оценки каналов вектор расстояния, что потенциально может вообще снять рассматриваемое ограничение. А как быть с внутренней маршрутизацией? Ведь существуют протоколы, базирующиеся на векторе расстояния (RIP) и на состоянии канала (OSPF или IGRP). Предположим, что в одной зоне сети работает RIP, где канал оценивается числом шагов до цели, а в другой — OSPF с оценкой состояния канала, выполненной администратором сети. Если маршрут содержит фрагменты пути, пролегающие через обе указанные зоны, возникает проблема оценки такого пути. Как сложить метрики этих участков, ведь они несовместимы? В принципе, задача имеет решение: для этого на границах зон с разными протоколами маршрутизации размещаются специальные маршрутизаторы, которые оптимизируют пути для каждого из протоколов (и зон) независимо. Но и в этом случае возможны трудноразрешимые ситуации. Один из таких вариантов показан на рис. 8.6.

Рис. 8.6.

Пусть на рисунке 8.6 в сетевых зонах, обозначенных кругами, используется протокол RIP, а в остальном пространстве – OSPF. ЭВМ обозначены пятиугольниками, внутренние маршрутизаторы — прямоугольниками, а окрашенные прямоугольники отмечают пограничные маршрутизаторы зон. Любые маршруты из зоны А в зону Б проблем не вызовут, так как внутри зоны маршруты оптимизируются RIP, а между зонами – протоколом OSPF. Возьмем задачу прокладки маршрута из зоны Б в зону В. Здесь следует рассмотреть варианты пути через зоны Г и Д. Важно то, что при выборе оптимального пути придется как-то учитывать метрики как OSPF-части пути, так и фрагменты транзитного пути внутри зон. При этом надо принять решение, с какими весами складывать метрики разных протоколов. Эта проблема снимается, если каждая зона имеет только один пограничный маршрутизатор. Маршрут прокладывается между пограничными маршрутизаторами, а различие маршрутов внутри зон игнорируется. Кстати именно эта логика лежит в основе рекомендации для автономной системы иметь только один пограничный маршрутизатор. Поясню это на примере, показанном на рис. 8.7.

Рис. 8.7.

Рассмотрим процедуру выбора пути от ЭВМ-1 к ЭВМ-2 из автономной системы AS1 в автономную систему AS2. Имеются метрики, характеризующие путь до маршрутизаторов GW1 и GW2 (M1 и M2). Существует метрика пути от GW1 и GW2 до автономной системы AS2 М3 и М4 (они совсем не обязательно равны между собой). В результате мы имеем характеристики двух путей между означенными машинами М1, М3 и М2, М4). Если внутренним протоколом маршрутизации является OSPF или IGMP, то складывать М1 и М4 (соответственно М2 и М4) нельзя, так как в одном случае (М1, М2) это характеристики состояния каналов (администратор назначил их, например, равными 35 и 55), а во втором (М3, М4) – это число шагов до автономной системы AS2 (пусть они равны, например, 6 и 4). Задача сопоставления метрик в этом простом случае может оказаться не по плечу даже суперЭВМ. Примером такой задачи может служить подключение к Интернет узлов ЮМОС (Южная Московская Опорная Сеть), имеющих выход и в АТМ-сеть ПРАН-МГУ.

Если бы у AS1 был только один пограничный шлюз (например, GW1), то задача решалась бы автоматически. Другим подходом может быть деление всего Интернет на две части, одна делается доступной только через GW1, а вторая – через GW2.

Любая автономная система (AS, система маршрутизаторов, ЭВМ или сетей, имеющая единую политику маршрутизации) может выбрать свой собственный протокол маршрутизации.

Деликатной процедурой алгоритмов маршрутизации является рассылка маршрутной информации. Если предположить, что один маршрутизатор получил пакет с новыми данными, а другой — нет (потерялся или еще не дошел), то эти два прибора будут использовать разное представление о топологии сети, что может привести к циклам пакетов, осцилляции маршрутов и другим неприятностям. Первое, что приходит в голову для синхронизации маршрутной картины сети, – это широковещательная рассылка маршрутных данных. При этом каждому пакету можно присваивать порядковый номер. Анализ этого номера позволяет маршрутизатору избавляться от пакетов дубликатов и от кадров с устаревшей информацией. Получив новый пакет, маршрутизатор переадресует его на все свои интерфейсы кроме того, через который он пришел. Такой алгоритм может встать в тупик в случае переполнения номера пакета. Допустим, после номера N придет пакет с номером 1. В этом случае он будет отброшен как дубликат ранее пришедшего или как кадр, несущий устаревшие данные. Если использовать 32-разрядные номера пакетов, при частоте рассылки один пакет в секунду переполнение счетчика произойдет более чем через 136 лет. Такая угроза вряд ли кого-то напугает.

Другой проблемой является ситуация, при которой маршрутизатор оказался временно отключен от сети переменного тока и был перезагружен. В этом случае он не будет знать, какой номер кадра следует ожидать. Кроме того, вполне реалистично предположить, что за 136 лет счетчик пакетов в маршрутизаторе может сбиться. Последствия могут оказаться плачевными.

Для решения всех этих проблем можно ввести, помимо номера, еще и возраст пакета и уменьшать его на единицу раз в секунду. Когда возраст станет равным нулю, маршрутная информация из маршрутизатора удаляется и процедура начинается с нуля.

Другим решением может быть схема, при которой входной пакет, предназначенный для рассылки, посылается соседям не сразу, а выдерживается некоторое время в буфере. Если за время выдержки придет очередной пакет, то их порядковые номера сравниваются. Если они равны, то дубликат отбрасывается. При разных номерах отбрасывается более старый. Для обеспечения надежности получение кадра с маршрутной информацией обязательно подтверждается.

Следует учитывать, что каждому сегменту пути может быть присвоено два значения метрики, по одному для каждого из направлений обмена.

Внутренний протокол маршрутизации IGP (Interior Gateway Protocol) определяет маршруты внутри автономной системы. Наиболее популярный IGP – RIP (Routing Information Protocol, RFC-1058), разработан в 1957-62 годах Фордом, Фулкерсоном и Белманом (фирма XEROX) и использует в качестве метрики вектор расстояния. Протокол был базовым в рамках проекта ARPANET. В качестве метрики может выбираться время доступа, число пакетов в очереди, но обычно – это число шагов до места назначения. Если до цели имеется один промежуточный маршрутизатор, то число шагов считается равным 2. Расстояние до любого из соседей равно одному шагу. В этом протоколе всегда выбирается путь с наименьшим числом шагов до цели (наименьшее значение метрики). Маршрутизация на основе вектора расстояния в принципе позволяет получить положительный результат в любой ситуации, но она имеет одну особенность – процесс сходится быстро при обнаружении нового более короткого пути и работает крайне медленно при исчезновении пути.

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

Существует более новый протокол OSPF (Open Shortest Pass First, RFC-1131, -1245, -1247, -1253, -1584, -1850, -2328, -2740), базирующийся на оценках состояний каналов. Как во всех маршрутных протоколах, использующих состояние канала, многое зависит от того, как вычисляется метрика. Если определяющим фактором выбрать полосу пропускания канала, то при определенных обстоятельствах могут возникнуть трудно преодолимые проблемы. Рассмотрим топологию сети, показанную на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Пример топологии сети, допускающей осцилляцию маршрутов

Здесь две субсети А и Б соединены двумя каналами 1 и 2. Кружочками обозначены маршрутизаторы. Если в исходный момент основной поток между сетями протекает по каналу 2, он может оказаться перегружен, в то время как канал 1 получит меньшее значение метрики из-за отсутствия загрузки. При очередной оценке каналов будет принято решение переключить поток между сетями на канал 1. После этого будет перегружен канал 1, и так может повторяться до бесконечности. Подобная ситуация называется осцилляцией маршрутов, и ее желательно избегать. Маршрутные таблицы в маршрутизаторах актуализуются вдоль пути с заметными задержками и отнюдь не синхронно. Такие осцилляции могут в несколько раз понизить пропускную способность сети, что необходимо учитывать, выбирая параметры протоколов маршрутизации.

На практике этого не происходит, так как метрики сегментам пути в OSPF присваивает сетевой администратор. Но можно ожидать, что появятся как внутренние, так и внешние протоколы маршрутизации на основе алгоритма состояния канала, которые будут исследовать параметры канала в реальном масштабе времени.

Для взаимодействия маршрутизаторов друг с другом используются внешние протоколы (EGP — Exterior Gateway Protocols). Одной из разновидностей EGP является протокол BGP (Border Gateway Protocol, RFC-1268 [BGP3], RFC-1467 [BGP4]).

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

IGRP применяет несколько типов метрики, по одной на каждый вид QOS (качества обслуживания). Метрика характеризуется 32-разрядным числом. В однородных средах этот вид метрики вырождается в число шагов до цели. При использовании путей со смешанной технологией передачи информации (ATM, Ethernet, последовательные каналы PPP и пр.) маршрут с минимальным значением метрики является предпочтительным. Актуализация маршрутной информации для этого протокола производится каждые 90 секунд. Если какой-либо маршрут не подтверждает своей работоспособности в течение 270 сек, он считается недоступным. После семи циклов (630 сек) актуализации такой маршрут удаляется из маршрутных таблиц. Протокол IGRP, вообще говоря, допускает автоматическое вычисление метрики. Полученное значение может быть умножено на величину параметра вариация. Этот параметр задает всегда сам администратор. С его помощью можно выровнять значения метрик нескольких каналов, что позволит пустить через них параллельный трафик. Пользоваться параметром вариация следует осторожно, так как при некоторых его значениях можно разрешить пакетам идти вспять, что приведет к циклическому движению пакетов и заблокирует работу сети.

Протокол IDPR (InterDomain Policy Routing Protocol, RFC-1477, -1479) представляет собой разновидность BGP-протокола. Протокол ISIS (Intermediate System to Intermediate System Protocol, RFC-1195, -1142, -2763) является еще одним внутренним протоколом, который используется для маршрутизации CLNP (Connectionless Network Protocol, RFC-1575, -1561, -1526, -1575). IS-IS имеет много общего с OSPF. (Смотри также бесклассовый протокол маршрутизации CIDR (RFC-1467, 151720).

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

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

В локальных или корпоративных сетях иной раз возникает необходимость разослать некоторую информацию всем остальным ЭВМ-пользователям сети (штормовое предупреждение, изменение курса акций, телеконференции с большим числом участников и т.д.). Отправителю достаточно знать адреса всех N заинтересованных пользователей и послать им соответствующее сообщение. Данная схема крайне не эффективна, ведь обычная широковещательная адресация предлагает решение, в N раз лучшее с точки зрения загрузки сети (посылается одно, а не N сообщений). Широковещательная адресация сработает, если в локальной сети нет маршрутизаторов; в противном случае широковещательные адреса МАС-типа заменяются на IP-адреса (что, впрочем, не слишком изящное решение) или применяется мультикастинг-адресация. Для мультикастинг-адресации в Интернет используются специальные адреса D-класса. Такие адреса позволяют организовать до 250 миллионов групп адресатов, функционирующих одновременно. При посылке пакета по такому адресу доставка не гарантируется, и некоторые члены группы могут не получить этот пакет. Маршрутизация для мультикастинга представляет собой отдельную задачу, ведь здесь надо проложить маршрут от отправителя к большому числу получателей. Традиционные методы маршрутизации здесь применимы, но до крайности не эффективны. Для целей выбора маршрута можно с успехом применить алгоритм "дерево связей" (spanning tree; не имеет циклических структур). Когда на вход маршрутизатора приходит широковещательный пакет, проверяется, является ли интерфейс, через который он пришел, оптимальным направлением к источнику пакета. Если это так, пакет направляется через все внешние интерфейсы, кроме того, через который он пришел. В противном случае пакет игнорируется (так как, скорее всего, это дубликат). Этот алгоритм называется Reverse Path Forwarding (переадресация в обратном направлении). Пояснение работы алгоритма представлено на рис. 8.9 (прямоугольниками на рисунке обозначены маршрутизаторы). Секция I характеризует топологию сети. Справа показано дерево маршрутов для маршрутизатора I (sink tree). Секция III демонстрирует то, как работает алгоритм Reverse Path Forwarding. Сначала I посылает пакеты маршрутизаторам B, F, H, J и L. Далее посылка пакетов определяется используемым алгоритмом.

Рис. 8.9. Алгоритм Reverse Path Forwarding

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