Лекция 9: 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.

Рис. 9.1. Взаимодействие автономных систем

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:

• полосу пропускания,
• задержку,
• надежность,
• загрузку,
• обобщенную стоимость и другие параметры сетевого соединения.

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:

• RIP (Routing Information Protocol);
• EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol);
• OSPF (Open Shortest Path First).

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).

Рис. 9.2. Взаимодействие протоколов и устройств

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:

• тип протокола, который идентифицирует протокол маршрутизации, который создавал каждый вход (строку) таблицы;
• следующий переход (next-hop) – указывает адрес входного интерфейса следующего маршрутизатора на пути к адресату назначения;
• метрику, которая различается для разных протоколов;
• выходной интерфейс, через который данные должны быть отправлены к устройству назначения.

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.

• Полоса пропускания (Bandwidth) – способность соединения передавать данные с некоторой скоростью. Например, соединения сети Fast Ethernet передающие данные со скоростью 100 Мбит/c, предпочтительней сети Е1 со скоростью 2,048 Мбит/c.
• Задержка (Delay) – длительность времени прохождения пакета от источника до адресата назначения. Задержка зависит от количества промежуточных соединений и их типов, объема буферных устройств маршрутизаторов, сходимости сети и расстояния между узлами.
• Загрузка (Load) – определяется количеством информации, загружающей сетевые ресурсы (маршрутизаторы и каналы). Чем больше загрузка, тем дольше пакет будет в пути.
• Надежность (Reliability) – определяется интенсивностью ошибок на каждом сетевом соединении.
• Количество переходов (Hop count) – количество маршрутизаторов, через которые пакет должен пройти на пути к адресату назначения (число переходов от маршрутизатора к маршрутизатору).
• Стоимость (Cost) – обобщенный параметр затрат на передачу пакета к адресату назначения. Обычно стоимость имеет произвольное значение, назначенное администратором. Часто стоимость задается в виде величины, обратной полосе пропускания.