Динамическая маршрутизация

3.1. Общие сведения о протоколах динамической маршрутизации

Маршрутизаторы функционируют в сетях с коммутацией пакетов, где все возможные маршруты уже существуют. Процесс прокладывания пути производится либо вручную администратором (статическая маршрутизация), либо автоматически маршрутизирующим протоколом (динамическая маршрутизация).

Маршрутизаторы, зная информацию о пути к некоторым сетям, обмениваются этой информацией с другими устройствами. После таких обновлений все маршрутизаторы будут иметь согласованную информацию о маршрутах к доступным сетям. Процесс обмена обновлениями реализуют протоколы маршрутизации. Таким образом, протоколы маршрутизации разделяют сетевую информацию между маршрутизаторами.

При изменениях в топологии требуется некоторое время (время сходимости или конвергенции) для согласования информации в таблицах маршрутизации всех маршрутизаторов сети. Время сходимости является важным фактором при выборе протокола маршрутизации.

Маршрутная информация собирается по определенным правилам в ходе реализации алгоритма динамического обмена обновлениями (update, модификациями) между маршрутизаторами. Протокол маршрутизации должен создавать и поддерживать таблицы маршрутизации, где хранятся пути ко всем доступным сетям назначения, а также извещать другие маршрутизаторы о всех известных ему изменениях в топологии сети, т.е. решать задачу обнаружения сетей.

Совокупность сетей, представленных маршрутизаторами под общим административным управлением, образует автономную систему ( рис. 3.1). Примерами автономных систем являются сети отдельных провайдеров ISP. Автономные системы нумеруются (AS1, AS2, …AS107, …) и в некоторых протоколах (IGRP, EIGRP) эти номера используются при конфигурировании.

Рис. 3.1. Взаимодействие автономных систем

В настоящем курсе рассматривается маршрутизация только внутри автономной системы, где работают протоколы внутренней маршрутизации (Interior Gateway Protocols - IGP), к которым относятся RIP, RIPv2, EIGRP, OSPF, IS-IS. Маршрутизацию между автономными системами производят протоколы внешней маршрутизации (Exterior Gateway Protocols - EGP). Примером протокола внешней маршрутизации является протокол BGP, который работает на пограничных маршрутизаторах автономных систем ( рис. 3.1).

Совокупность протоколов маршрутизации приведена в табл. 3.1, из которой следует, что протоколы динамической маршрутизации, 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 на пути к адресату. При использовании протокола вектора расстояния маршрутизаторы посылают всю или часть таблицы маршрутизации соседним (смежным) маршрутизаторам. В таких протоколах как RIP и RIP-2 расстояние выражается в количестве переходов (hop count) в соединении на пути от узла источника к адресату назначения. Обмен обновлениями (update) или модификациями происходит периодически, даже если в сети нет никаких изменений, на что тратится значительная часть полосы пропускания. Получив обновление маршрутной информации, маршрутизатор может заново вычислить все известные пути и модернизировать таблицу маршрутизации.

Протоколы состояния канала создают полную картину топологии сети и вычисляют кратчайшие пути ко всем сетям назначения. Если путей с одинаковой метрикой несколько, то выбирается первый из вычисленных. Рассылка обновлений маршрутной информации производится только при изменениях топологии сети. 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 инкапсулированный в кадр пакет прибывает на входной интерфейс, маршрутизатор декапсулирует его, затем использует 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. материалы "Принципы и средства межсетевого взаимодействия" ).

Маршрутизаторы способны одновременно поддерживать несколько независимых протоколов с разными административными расстояниями (AD), которые показывают степень достоверности источника маршрута. Чем меньше AD, тем выше достоверность (см. табл. 1.1). В таблицу маршрутизации устанавливаются маршруты, созданные протоколами с наименьшим административным расстоянием.

Определение протоколом маршрутизации наиболее рационального (оптимального) пути производится на основе определенного критерия - метрики. Значение метрики используется при оценке возможных путей к адресату назначения. В настоящем курсе рассматриваются следующие протоколы маршрутизации:

Перечисленные протоколы используют разные параметры метрики.

Различные протоколы маршрутизации используют разные алгоритмы при выборе маршрута, т.е. выходного интерфейса и (или) адреса следующего перехода, на который должен быть передан пакет. Алгоритм и метрика определяются целым рядом решаемых задач, таких как простота, устойчивость, гибкость, быстрая сходимость или конвергенция. Сходимость - это процесс согласования между 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 параметры метрики:

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

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

Протоколы вектора расстояния (RIP, IGRP) периодически рассылают обновления маршрутной информации. У протокола RIP этот период равен 30 сек. При этом обновляются таблицы маршрутизации, которые 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, происходит медленно, что является недостатком протоколов вектора расстояния.

Таким образом, протоколы вектора расстоянияRIP характеризуются медленной сходимостью, т.е. длительным временем согласования информации в таблицах маршрутизации при изменениях топологии сети.

Протокол вектора расстояния RIP использует счетчик переходов (hop count) в качестве метрики, чтобы определить расстояние до определенного соединения в составной сети. Если существует несколько путей, то RIP выберет путь с наименьшим числом маршрутизаторов или переходов 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 (более узкой полосой пропускания, меньшей пропускной способностью) по сравнению с альтернативными маршрутами, созданными другими протоколами. Кроме того, RIP не может направлять пакеты далее 15 переходов, поэтому он рекомендован для работы в малых и средних сетях. Рассылка обновлений протоколом первой версии RIPv1 производится в широковещательном режиме (адрес 255.255.255.255).

Протокол первой версии RIPv1 требует, чтобы все устройства в подсети использовали одинаковую маску подсети, т.к. RIP не включает информацию о маске подсети в обновления маршрутизации. Такой метод получил название маршрутизации на основе классов (classful routing), что ограничивает применение протокола RIPv1 в современных сетях.

Протокол вектора расстояния второй версии RIPVersion 2 (RIPv2) обеспечивает бесклассовую маршрутизацию CIDR (Classless Interdomain Routing), поскольку в обновления маршрутизации включена информация о маске подсети (о префиксе). При этом внутри одной сети могут существовать подсети с масками переменной длины (Variable-Length Subnet Mask - VLSM). В обновления также включена адресная информация о шлюзах по умолчанию. Рассылка обновлений протоколом версии RIPv2 производится в многоадресном режиме (адрес 224.0.0.9).

Протокол вектора расстояния EIGRP обеспечивает быструю сходимость и малое количество служебной информации, передаваемой в обновлениях (только об изменениях в сети), что экономит полосу пропускания. EIGRP использует ряд функций, применяемые в протоколах состояния канала (link-state). Протоколы EIGRP работают с оборудованием CISCO и не всегда поддерживаются программным обеспечением аппаратуры других фирм. Рассылка обновлений протоколом EIGRP производится в многоадресном режиме (адрес 224.0.0.10).

Наиболее известными протоколами состояния канала (соединения) являются протокол Open Shortest Path First (OSPF) и протокол Intermediate System-to-Intermediate System (IS-IS). Протокол маршрутизации OSPF разработан организацией Engineering Task Force (IETF). Он предназначен для работы в больших гибких составных сетях, может работать с оборудованием разных фирм производителей, поэтому получил широкое распространение.

Протокол состояния канала OSPF использует алгоритм Дийкстры (Dijkstra), согласно которому устанавливаются отношения смежности с соседними устройствами, путем обмена с ними короткими Hello-пакетами, создаются таблицы соседних устройств, оцениваются стоимости соединений, которые хранятся в специальной базе данных (link-state database). На основе таблиц соседних устройств и информации базы данных формируются таблицы маршрутизации. В базе данных хранится один или несколько путей к адресату назначения, из которых выбирается первый кратчайший путь (Shortest Path First - SPF), который и помещается в таблицу маршрутизации. Если первый путь становится недоступным, то протокол может оперативно выбрать из базы данных другой без дополнительных вычислений.

Рассылка обновлений о состоянии канала производится при запуске протокола маршрутизации и при изменениях топологии сети. При этом маршрутизатор создает извещение о состоянии этого соединения (Link-State Advertisement - LSA). Сообщение LSA затем передается всем смежным маршрутизаторам, которые, получив LSA, транслируют копию LSA всем соседям и затем модифицируют базу данных. При таком волновом распространении пакетов все маршрутизаторы создадут базы данных и таблицы маршрутизации, которые будут согласованно отражать топологию перед модификацией. Такой алгоритм обеспечивает быструю сходимость.

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 используется основными сетевыми компаниями, в том числе провайдерами Интернет. Протокол BGP принимает решение о выборе маршрута на основе сетевой политики.