Протоколы маршрутизации

Автоматическое построение таблиц маршрутизации.

Для автоматического построения таблиц маршрутизации в составных сетях применяются специальные служебные протоколы — так называемые протоколы маршрутизации. Они могут быть реализованы на основе разных алгоритмов, отличающихся методами построения таблиц маршрутизации, способами выбора наилучшего маршрута и другими особенностями.

В предыдущих выпусках рубрики «Первые уроки», посвященных принципам маршрутизации, предполагалось, что в таблицах маршрутизации для каждого адреса назначения указывается только следующий (ближайший) маршрутизатор, а не вся их цепочка от начального до конечного узла. В соответствии с этим подходом маршрутизация выполняется по распределенной схеме — каждый маршрутизатор отвечает за выбор только одного этапа пути, а окончательный маршрут складывается в результате работы всех маршрутизаторов, через которые проходит данный пакет. Такие алгоритмы маршрутизации называются одношаговыми.

Существует и прямо противоположный, многошаговый подход — маршрутизация от источника (Source Routing). В соответствии с ним узел-источник указывает в отправляемом в сеть пакете полный маршрут его следования через все промежуточные маршрутизаторы. Такой способ не требует построения и анализа таблиц маршрутизации. Это ускоряет прохождение пакета по сети и разгружает маршрутизаторы, но при этом большая нагрузка ложится на конечные узлы. Данная схема применяется гораздо реже, чем схема распределенной одношаговой маршрутизации.

Статические алгоритмы и простая маршрутизация

В зависимости от способа формирования таблиц маршрутизации одношаговые алгоритмы делятся на три класса:

• алгоритмы фиксированной (или статической) маршрутизации;
• алгоритмы простой маршрутизации;
• алгоритмы адаптивной (или динамической) маршрутизации.

В первом случае все записи в таблице маршрутизации статические. Администратор сети сам решает, на какие маршрутизаторы надо передавать пакеты с теми или иными адресами, и заносит соответствующие записи в таблицу маршрутизации вручную (например, с помощью утилиты route ОС UNIX или Windows NT).

Таблица, как правило, создается в процессе загрузки и редактируется по мере необходимости. Такие исправления могут понадобиться, в частности, если в сети отказывает какой-либо маршрутизатор, и его функции передаются другому.

Таблицы делят на одномаршрутные, в которых для каждого адресата задан один путь, и многомаршрутные, когда предлагается несколько альтернативных путей. В случае многомаршрутных таблиц должно быть задано правило выбора одного из маршрутов. Чаще всего один путь является основным, а остальные — резервными.

Очевидно, что алгоритм фиксированной маршрутизации с его способом формирования таблиц маршрутизации вручную приемлем только в небольших сетях с простой топологией. Однако он может быть эффективно использован и на магистралях крупных сетей с простой структурой и очевидными наилучшими путями следования пакетов в подсети.

В алгоритмах простой маршрутизации таблица маршрутизации либо вовсе не используется, либо строится без участия протоколов маршрутизации. Выделяют три типа простой маршрутизации:

• случайная маршрутизация, когда прибывший пакет посылается в первом попавшемся направлении, кроме исходного;
• лавинная маршрутизация, когда пакет широковещательно посылается по всем возможным направлениям, кроме исходного (аналогично тому, как мосты обрабатывают кадры с неизвестным адресом);
• маршрутизация с учетом накопленного опыта, когда выбор маршрута осуществляется по таблице, но таблица строится так же, как и в случае моста путем анализа адресных полей поступающих пакетов.

АДАПТИВНАЯ МАРШРУТИЗАЦИЯ

Наибольшее распространение получили алгоритмы адаптивной (или динамической) маршрутизации. Они обеспечивают автоматическое обновление таблиц маршрутизации после изменения конфигурации сети. Используя протоколы адаптивных алгоритмов, маршрутизаторы могут собирать информацию о топологии связей в сети и оперативно реагировать на все изменения конфигурации связей. В таблицы маршрутизации обычно заносится информация об интервале времени, в течение которого данный маршрут будет оставаться действительным. Это время называют временем жизни маршрута (Time To Live, TTL).

Адаптивные алгоритмы имеют распределенный характер, т. е. в сети нет специально выделенных маршрутизаторов для сбора и обобщения топологической информации: эта работа распределена между всеми маршрутизаторами.

В последнее время наметилась тенденция использовать так называемые серверы маршрутов: они собирают маршрутную информацию, а затем по запросам раздают ее маршрутизаторам. В этом случае последние либо освобождаются от функции создания таблицы маршрутизации, либо создают только часть таблицы. Взаимодействие маршрутизаторов с серверами маршрутов осуществляется по специальным протоколам, например Next Hop Resolution Protocol (NHRP).

Адаптивные алгоритмы маршрутизации должны отвечать нескольким важным требованиям. Прежде всего, они обязаны обеспечивать выбор если не оптимального, то хотя бы рационального маршрута. Второе условие — их непременная простота, чтобы соответствующие реализации не потребляли значительных сетевых ресурсов: в частности, они не должны порождать слишком большой объем вычислений или интенсивный служебный трафик. И, наконец, алгоритмы маршрутизации должны обладать свойством сходимости, т. е. всегда приводить к однозначному результату за приемлемое время.

Современные адаптивные протоколы обмена информацией о маршрутах, в свою очередь, делятся на две группы, каждая из которых связана с одним из следующих типов алгоритмов:

• дистанционно-векторные алгоритмы (Distance Vector Algorithm, DVA);
• алгоритмы состояния каналов (Link State Algorithm, LSA).

В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор, компонентами которого являются расстояния от данного маршрутизатора до всех известных ему сетей. Под расстоянием обычно понимается число транзитных узлов. Метрика может быть и иной, учитывающей не только число промежуточных маршрутизаторов, но и время прохождения пакетов между соседними маршрутизаторами или надежность путей.

Получив вектор от соседа, маршрутизатор увеличивает расстояние до указанных в нем сетей на длину пути до данного соседа и добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов, а затем рассылает новое значение вектора по сети. В конце концов, каждый маршрутизатор узнает информацию обо всех имеющихся в объединенной сети сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.

Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В крупных же они загружают линии связи интенсивным широковещательным трафиком. Изменения конфигурации отрабатываются по этому алгоритму не всегда корректно, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии связей в сети, а располагают только обобщенной информацией — вектором расстояний, — к тому же полученной через посредников. Работа маршрутизатора в соответствии с дистанционно-векторным протоколом напоминает работу моста, так как точной топологической картины сети такой маршрутизатор не имеет. Наиболее распространенным протоколом на базе дистанционно-векторного алгоритма является протокол RIP.

Алгоритмы состояния каналов позволяют каждому маршрутизатору получить достаточную информацию для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают на основании одинаковых графов, в результате процесс маршрутизации оказывается более устойчивым к изменениям конфигурации. «Широковещательная» рассылка (т. е. передача пакета всем ближайшим соседям маршрутизатора) производится здесь только при изменениях состояния связей, что в надежных сетях происходит не так часто. Вершинами графа являются как маршрутизаторы, так и объединяемые ими сети. Распространяемая по сети информация состоит из описания связей различных типов: маршрутизатор-маршрутизатор, маршрутизатор-сеть.

Для того чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами HELLO со своими ближайшими соседями. Этот служебный трафик также засоряет сеть, но не в такой степени, как, например, пакеты RIP, так как пакеты HELLO имеют намного меньший объем.

Примерами протоколов на базе алгоритма состояния связей могут служить IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) стека OSI, OSPF (Open Shortest Path First) стека TCP/IP и протокол NLSP стека Novell.

СТРУКТУРА INTERNET

Большинство протоколов маршрутизации, применяемых в современных сетях с коммутацией пакетов, появилось благодаря Internet и его предшественницы — сети ARPANET. Для того чтобы понять их назначение и особенности, полезно познакомится со структурой сети Internet, которая наложила отпечаток на терминологию и типы протоколов.

Internet изначально строился как сеть, объединяющая большое количество независимых систем. С самого начала в его структуре выделяли магистральную сеть (core backbone network), а подключенные к магистрали сети рассматривались как автономные системы (autonomous system). Магистраль и каждая из автономных систем имели свои собственные административное управление и протоколы маршрутизации. Необходимо подчеркнуть, что деление на автономные системы не связано прямо с делением Internet на сети и домены имен. Автономная система объединяет сети, где маршрутизация осуществляется под общим административным руководством одной организации, а домен имен — единый для компьютеров (возможно, принадлежащих разным сетям), в которых назначение уникальных символьных имен происходит под таким же руководством. Естественно, область действия автономной системы и домена имен могут в частном случае совпадать, если одна организация выполняет обе указанные функции.

Маршрутизаторы, применяемые для формирования сетей и подсетей внутри автономной системы, называются внутренними шлюзами (interior gateway), а те, с помощью которых автономные системы подключаются к магистрали сети, — внешними шлюзами (exterior gateway). Магистраль сети также является автономной системой. Все автономные системы имеют уникальный 16-разрядный номер, который присваивается централизованно соответствующим административным органом Internet.

Используемые внутри автономных систем протоколы маршрутизации называются протоколами внутренних шлюзов (Interior Gateway Protocol, IGP), а протоколы обмена маршрутной информацией между внешними шлюзами и шлюзами магистральной сети — протоколами внешних шлюзов (Exterior Gateway Protocol, EGP). Внутри магистральной сети также может функционировать любой собственный внутренний протокол IGP.

Разделение всей сети Internet на автономные системы необходимо для многоуровневой модульной организации, без чего невозможно значительно расширить любую крупную систему. Изменение протоколов маршрутизации внутри какой-либо автономной системы не должно повлиять на работу остальных автономных систем. Кроме того, деление Internet на автономные системы способствует агрегированию информации на магистральных и внешних шлюзах. Внутренние шлюзы могут использовать для внутренней маршрутизации достаточно подробные графы взаимных связей, чтобы выбрать наиболее рациональный маршрут. Однако если информация такой степени детализации будет храниться во всех маршрутизаторах сети, то топологические базы данных настолько разрастутся, что потребуется память гигантских размеров, а время принятия решений о маршрутизации станет неприемлемо большим.

Поэтому детальная топологическая информация остается внутри автономной системы, которую внешние шлюзы представляют для остальной части Internet как единое целое. Они сообщают о внутреннем составе автономной системы минимально необходимые сведения — количество сетей IP, их адреса и внутреннее расстояние до этих сетей от данного внешнего шлюза.

Техника бесклассовой маршрутизации CIDR может значительно сократить объемы маршрутной информации, передаваемой между автономными системами. Так, если все сети внутри некоторой автономной системы начинаются с общего префикса, скажем 194.27.0.0/16, то внешний шлюз автономной системы должен делать объявления только об этом адресе, не сообщая отдельно о существовании внутри данной автономной системы, например сети 194.27.32.0/19 или 194.27.40.0/21, так как эти адреса агрегируются в адресе 194.27.0.0/16.

Приведенная на Рисунке 1 структура Internet с единственной магистралью была таковой достаточно долго, поэтому специально для нее был разработан протокол обмена маршрутной информацией между AS, названный EGP. Однако по мере развития сетей провайдеров услуг структура Internet стала гораздо более сложной, с произвольным характером связей между автономными системами. Поэтому протокол EGP уступил место протоколу BGP, который позволяет распознать наличие петель между автономными системами и исключить их из межсистемных маршрутов. Протоколы EGP и BGP используются провайдерами услуг Internet только на внешних шлюзах автономных систем. На маршрутизаторах корпоративных сетей работают внутренние протоколы маршрутизации, такие, как RIP и OSPF.

RIP и OSPF

Протокол RIP (Routing Information Protocol) — внутренний протокол маршрутизации дистанционно-векторного типа. Это один из наиболее ранних протоколов обмена маршрутной информацией, до сих пор чрезвычайно распространенный ввиду простоты реализации. Кроме варианта RIP для сетей TCP/IP версия RIP имеется и для сетей IPX/SPX компании Novell. Протокол RIP для IP представлен двумя версиями: первой и второй. RIP v.1 не поддерживает маски, т. е. он распространяет между маршрутизаторами только информацию о номерах сетей и расстояниях до них, а информацию о масках этих сетей не рассылает, считая, что все адреса принадлежат к стандартным классам A, B или С. Протокол RIP v.2 передает информацию о масках сетей, поэтому он в большей степени соответствует требованиям сегодняшнего дня.

Протокол OSPF (Open Shortest Path First, открытый протокол «первоочередного выбора кратчайшего пути») принят в 1991 г. Будучи реализацией алгоритма состояния каналов, он разрабатывался в расчете на применение в крупных гетерогенных сетях. Вычислительная сложность протокола OSPF быстро растет с увеличением размерности сети, т. е. увеличением количества сетей, маршрутизаторов и связей между ними. Для решения этой проблемы в протоколе OSPF вводится понятие «область» сети (area) (не следует путать с автономной системой Internet). Маршрутизаторы, принадлежащие некоторой области, строят граф связей только для нее, что сокращает размерность сети. Между областями информация о связях не передается, а пограничные маршрутизаторы обмениваются определенной информацией об адресах сетей, находящихся в каждой из областей, и о расстоянии от пограничного маршрутизатора до каждой сети. При передаче пакетов между областями выбирается один из пограничных маршрутизаторов области, а именно тот, у которого расстояние до нужной сети меньше. При передаче адресов в другую область маршрутизаторы OSPF агрегируют несколько адресов общим префиксом в один.

Маршрутизаторы OSPF могут принимать адресную информацию от других протоколов маршрутизации, например от протокола RIP, что полезно для работы в гетерогенных сетях. Такая адресная информация обрабатывается так же, как и внешняя информация между разными областями.