Протоколы маршрутизации предназначены для сбора данных о топологиях межсетевых соединений. Главная задача маршрутизации, или, по-другому, подбора наиболее оптимального маршрута, обычно решается с помощью анализа особых таблиц, которые размещены во всех конечных сетевых узлах и маршрутизаторах.
Для того чтобы автоматически построить требуемые таблицы, маршрутизаторы меняются друг с другом определенной информацией с помощью специально предназначенных служебных протоколов, они и имеют название «протоколы маршрутизации». К ним относятся протоколы NLSP, RIP, OSPF, которые нужно отличать от сетевых, например, таких, как IP.
Чтобы обеспечить устойчивость к ошибкам маршрутизатора, протоколы маршрутизации на основе расстояния используют механизм тайм-аута: записи, которые не получили обновление за определенный промежуток времени, удаляются из вектора расстояния и, следовательно, из таблицы маршрутизации. Это делается для того, чтобы маршрутизатор не мог использовать маршрут для отказавшего маршрутизатора и распространять его на соседние маршрутизаторы, даже несмотря на то, что этот отказ стал недействительным. Если после удаления информация получена по маршруту, который ранее не учитывался из-за чрезмерного расстояния, это заменит неверный маршрут.
С помощью соответствующих протоколов маршрутизаторы постепенно составляют карту сетевых связей. Уже на основании этих данных для каждого из номеров сети принимается решение, какому конкретно маршрутизатору необходимо передавать пакеты, которые направляются в эту сеть, чтобы маршрут в итоге оказался наиболее рациональным. Результаты принятых решений записываются в таблицу маршрутизации. Когда конфигурации сети изменяются, некоторые записи автоматически становятся недействительными. Тогда пакеты, которые отправлены по ложным маршрутам, могут потеряться или зациклиться. От того, как быстро протоколы машрутизации приводят содержимое таблицы к реальному положению в сети, напрямую зависит качество работы таковой.
Легко понять, что скорость, с которой текущая информация маршрутизации распространяется через такой метод, зависит от интервала регулярных сообщений маршрутизации и размера сети. Для больших сетей протоколы маршрутизации на основе расстояния являются проблематичными, поскольку может потребоваться много времени, пока изменение маршрута, возможно, из-за сбоя маршрутизатора, распространяется на все затронутые маршрутизаторы. Это называется медленной конвергенцией, потому что может потребоваться много времени для сближения с точками зрения маршрутизаторов.
Протоколы маршрутизации имеют несколько классификаций. Они могут быть как одношаговыми, так и многошаговыми, статическими, динамическими, классовыми, бесклассовыми. Кроме того, такие протоколы могут быть внешними и внутренними. В одношаговых при выборе наиболее рационального маршрута изначально определяется только ближний маршрутизатор, а не вся их последовательность. Статические маршруты заносятся вручную. Обычно их используют в небольших сетях, которые отличаются простой и понятной структурой. Плюсом, естественно, является легкость настройки, отсутствие каких-либо потерь трафика на передачу информации о маршрутизации и низкие требования к ресурсам. Но если происходят изменения в конфигурации сети, приходится менять таблицу маршрутизации на всех хостах вручную. Однако большую популярность имеют протоколы динамической маршрутизации.
Проблема медленного распространения информации о маршрутизации типична для протоколов маршрутизации на расстоянии. Чтобы избежать нестабильности и чрезмерных несоответствий, количество допустимых переходов ограничено определенным значением, которое затем представляет бесконечность расстояния. Когда маршрут достигает этого диапазона, он автоматически недействителен.
На рисунке 5 схематически показана проблема медленного распространения. Это, конечно, упрощенный сценарий, но по-прежнему целесообразно продемонстрировать основные проблемы протоколов маршрутизации на расстоянии. После обсуждения этих проблем мы представляем некоторые решения, которые часто выполняются в конкретных реализациях протокола, чтобы ускорить распространение согласованной информации маршрутизации.
Протокол BGP - один из основных протоколов маршрутизации в Интернете. Он предназначен для обмена данными о маршрутах между большими автономными системами, поэтому, кроме стандартной информации, переносит данные о маршрутах именно на Протокол BGP выбирает наилучший маршрут исходя из правил, которые приняты в сети, и не использует в своей работе технические метрики. Также использует суммирование маршрутов для того, чтобы уменьшить таблицы маршрутизации. На данный момент действует четвертая версия протокола.
Фигура «Подсчет к бесконечности». На рисунке 6 показан поток распределения сообщений маршрутизации для этого случая. Информация о доступности для сети 1 с точки зрения каждого маршрутизатора вводится в разное время в таблице. Для простоты предполагается, что все сообщения маршрутизации всегда передаются одновременно. Информация маршрутизации для сети 1 в разное время.
На рисунке 6 показано, что для данного созвездия нет выхода из ситуации: все маршрутизаторы постепенно увеличивают свои значения диапазона до тех пор, пока они не примут значение бесконечности. Это явление, таким образом, называется «подсчет до бесконечности». Это способствует тому, что информация о недоступности сетей может распространяться очень медленно, а таблицы маршрутизации сходятся очень медленно. Подсчет до бесконечности является фундаментальной проблемой протоколов маршрутизации на основе расстояния.
OSPF также является достаточно популярным динамическим протоколом. Он основан на технологии, которая отслеживает состояние канала и использует для своей работы К его преимуществам относится высокая скорость сходимости, наиболее рациональное использование пропускной способности и поддержка переменной длинны.
RIP-протокол - один из самых старых, который, однако, достаточно широко распространен и по сей день. Он используется в маленьких сетях с простой структурой. Протокол прост в эксплуатации и установке. В основе его работы лежат алгоритмы вектора расстояний. При использовании RIP все записи в таблицах маршрутизации содержат либо адрес сети, либо хоста получателя.
Однако в конкретных реализациях принимаются некоторые меры, чтобы исключить возникновение этой проблемы во многих случаях и смягчить воздействие в других случаях. Некоторые из этих мер объясняются ниже. Понятно, что проблему медленной конвергенции можно решить относительно легко: помимо маршрута, который он записал в своей таблице маршрутизации из-за сообщения протокола маршрутизации, маршрутизатор должен также помнить, какой сетевой интерфейс он использует получил соответствующее сообщение и в будущем должно отказаться от информации об этом маршруте через этот интерфейс.
Протоколы маршрутизации достаточно разнообразны, их насчитывается большое количество, и каждый имеет как свои достоинства, так и негативные стороны.
Маршрутизация является одной из важнейших операций в объединенных сетях IP. Маршрутизацией называется процесс построения, сравнения и выбора маршрута в сети к произвольному IP-адресу. Устройства, выполняющие эти функции, называют маршрутизаторами. Основные функции маршрутизаторов следующие:
Распределение маршрутной информации для сети 1 с разнесенным горизонтом. На рисунке 7 показано распределение информации маршрутизации с использованием разнесенного горизонта. Маршрутизаторы не отправляют информацию о доступности через маршруты к соседям, из которых они первоначально получали соответствующую информацию.
Чтобы ускорить сближение в таких случаях, расколотый горизонт также работает в названном варианте. Маршруты, которые маршрутизатор получил от соседа, передаются соответствующим соседям, но имеют значение диапазона бесконечности. В результате распространение дезинформации в некоторых случаях может быть предотвращено еще раньше, чем в случае простого расколотого горизонта.
· обмен информации о локально подключенных хостах и сетях;
· сравнение альтернативных путей;
· согласование топологии сети.
Маршрутизаторы выполняют свои функции в двух режимах: либо используют заранее запрограммированные статические маршруты, либо строят маршруты с использованием протоколов динамической маршрутизации.
На рисунке 8 показано распространение информации маршрутизации в этом случае. К сожалению, этот метод также не способствует быстрому сближению таблиц маршрутизации участвующих маршрутизаторов, и все маршрутизаторы знают, что сеть 1 больше недоступна. Разделенный горизонт с отравленным обратным помогает в случаях, когда 2 маршрутизатора имеют противоречивые представления по маршрутам, ведущим друг к другу. Из-за топологии в этом случае, когда 3 маршрутизатора имеют противоречивую информацию и они распространяют информацию, однако, дезинформация всегда вводится в систему, поэтому до бесконечности все еще используется.
В свою очередь, протоколы динамической маршрутизации делятся на две категории: дистанционно-векторные и топологические протоколы. Основные различия между ними в алгоритмах поиска и построения новых маршрутов.
Статическая маршрутизация основана на статических, заранее запрограммированных маршрутах. Преимущества статической маршрутизации заключаются:
Очевидным недостатком расколотого горизонта с отравленным обратным является то, что необходимо передать большую часть информации, как в случае простого раскола, поскольку в нем всегда четко указано, что цель недоступна, тогда как в случае раздвоенного горизонта цель проста ничего не передается. Распределение маршрутной информации для сети 1 с разнесенным горизонтом с отравленным обратным.
Для ускорения конвергенции и, таким образом, в конечном итоге предотвращения циклов, как в приведенном выше примере, следовательно, доступен запущенный процесс обновления. В этом случае основной метод сообщений периодической маршрутизации отключается, и для маршрутизаторов выполняется предоставление немедленной отправки соответствующим образом обновленной информации о маршрутизации своим соседям в случае изменения значений расстояния для конкретных получателей. Поскольку соседи также практикуют этот метод, изменение топологии сети может привести к целой цепочке инициируемых обновлений, в результате чего, например, информация о недоступности цели может распространяться очень быстро.
· в повышении надежности сети;
· эффективном расходовании ресурсов;
· возможности применения для диагностики и временного разрешения проблем в сети;
· обеспечении безопасности сети.
Основными недостатками такого вида маршрутизации являются необходимость ручного изменения маршрутов в случае возникновения сбоев, увеличение ручной работы в случае возрастания объемов сети.
Дополнительный подход к противодействию проблеме медленной конвергенции называется удержанием. Маршрутизатор должен ждать определенный период времени после получения сообщения о недоступности сети, прежде чем снова рассмотрит маршруты с определенным не бесконечным расстоянием для соответствующей сети. Это делается для предотвращения распространения информации о недоступности сети из-за недействительной, еще не обновленной информации о маршрутизации. Конечно, недостатком этого является то, что распространение достоверной информации, например, существование альтернативного маршрута, также задерживается.
Дистанционно-векторная маршрутизация основана на алгоритмах Беллмана-Форда, согласно которым копии таблиц маршрутизации периодически передаются узлам, находящимся в непосредственном соседстве. Каждый получатель добавляет в таблицу значение дистанции и передает его своим непосредственным соседям. Процесс повторяется по всем направлениям и в результате каждый маршрутизатор получает сведения о других маршрутизаторах и накапливает информацию о соседях.
По этой причине удержание практически применяется только в некоторых случаях. Сложные протоколы оценивают качество соединений и делают выбор на этой основе. Реальность, однако, заключается в том, что штепсельная вилка, крушение маршрутизаторов и кабели ломаются. В этой ситуации динамическая маршрутизация в лучшем случае: если есть альтернативный путь к целевому компьютеру, тогда он найдет зебру и аналогичные программы маршрутизации. Динамическая маршрутизация также обеспечивает значимое распределение нагрузки для нескольких соединений.
Недостатки дистанционно-векторной маршрутизации следующие:
· в случае сбоя или изменений в сети необходимо некоторое время на согласование, в течение которого сеть может быть перегружена;
· маршрутизатор ничего не знает о фактической топологии сети и других маршрутизаторах;
Основным достоинством дистанционно-векторных протоколов является их простота. Эти протоколы эффективны в очень мелких сетях с минимальным количеством альтернативных путей и отсутствием жестких требований к производительности. Типичным представителем таким протоколов является протокол RIP (описан в документе RFC1058).
Используя разные алгоритмы, протокол маршрутизации определяет лучший маршрут к месту назначения. Основой для этого решения являются так называемые метрики. В зависимости от протокола показатели отличаются друг от друга, они оценивают альтернативные пути, например, в зависимости от количества маршрутизаторов или полосы пропускания в разделах маршрута. Чтобы адаптироваться к текущей ситуации в сети, каждый маршрутизатор пересчитывает свою таблицу маршрутизации через определенные промежутки времени, поэтому записи остаются согласованными.
Алгоритмы топологической маршрутизации ведут сложную базу данных, описывающую топологию сети.
В отличие от дистанционно-векторных протоколов, топологические протоколы располагают полной информацией о маршрутизаторах сети и о способах их соединения. Эта задача решается с использованием обмена сообщениями (LSA) с другими маршрутизаторами. Обмен такими сообщениями инициируется только событиями в сети, а не периодически, что существенно ускоряет распространение из
менений в сети. Топологическая маршрутизация обладает двумя существенными недостатками:
С другой стороны, при статической маршрутизации системный администратор определяет эти таблицы. С более крупными сетями конфигурация становится довольно запутанной, могут возникнуть несоответствия, которые парализуют целые участки сети. На рисунке 1 показана сеть компаний, что является примером следующего. Каждый маршрутизатор знает сети, напрямую связанные с его интерфейсами. Для каждой подключенной сети таблица маршрутизации содержит запись, которая используется статической маршрутизацией.
Основы динамической маршрутизации
В простых случаях используется маршрут по умолчанию, который пересылает все пакеты в интерфейс по умолчанию, если маршрутизатор не знает целевую сеть. В динамической маршрутизации маршрутизаторы используют протокол маршрутизации для обмена доступными для них сетями. Таким образом, каждый маршрутизатор в сети может создавать собственный образ всей сети. Пути, используемые соседними маршрутизаторами, записываются в его таблицу - при условии, что информация более поздняя или лучше старых. Каждый маршрутизатор теперь знает все соединения и все сети назначения в сети.
1) на стадии сбора первоначальной информации по сети передается большой объем информации, существенно снижая возможности сети по передаче данных;
2) топологическая маршрутизация требует больших затрат памяти и процессорных ресурсов.
Решаются эти проблемы посредством планирования и технического оснащения сети.
Топологическая маршрутизация приносит пользу в сетях любого размера, в хорошо спроектированной сети она позволяет корректно адаптировать к эффектам неожиданных топологических изменений. Применение механизма сообщений позволяет повысить эффективность передачи данных, что, в свою очередь, позволяет упростить масштабирование сети. Типичным представителем топологической маршрутизации является протокол OSPF (описание приведено в RFC2328).
На рисунке 2 показано, как маршрутизаторы сообщают друг другу. Если каждый маршрутизатор в сети имеет всю информацию сети, и если они согласованы, то говорят о конвергентной сети. Протоколы динамической маршрутизации можно разделить на две группы: внутренние и внешние протоколы. Внутренне или внешне относится к так называемой автономной системе. Автономные системы определяются как области администрирования. Это сеть компаний, университетская сеть или любая сеть, которая может рассматриваться как полная единица.
Таблицы маршрутизации содержат интерфейс к целевой сети. Рисунок 2: В случае динамической маршрутизации маршрутизаторы сообщают друг другу о сетях, подключенных к сети. Записи, полученные с помощью обновлений, выделены жирным шрифтом. Рисунок 3: Автономные системы взаимосвязаны через пограничные маршрутизаторы. Они взаимодействуют через внешний протокол маршрутизации, а внутренние протоколы маршрутизации используются в автономной системе.
При создании TCP/IP была выбрана иерархическая архитектура, позволяющая эффективно объединять различные сети. При пересылке между различными сетями дейтаграмма проходит через устройства, выполняющие маршрутизацию. Если адрес получателя совпадает с адресом локальной сети, то маршрутизатор передает дейтаграмму в сеть для доставки, иначе дейтаграмма пересылается следующему маршрутизатору в объединенной сети. В глобальных сетях используются многочисленные специальные устройства, предназначенные для выполнения маршрутизации. Они различаются по выполняемым функциям:
Поиск путей - внутри или снаружи
Интернет состоит из многих автономных систем. Для того, чтобы маршрутизаторы могли выйти за пределы своих сетей, эти системы подключаются через внешние протоколы маршрутизации. Поскольку им не нужно знать все сведения о структуре внутренней сети, пограничные маршрутизаторы передают сводку другим пограничным маршрутизаторам. Эта информация, суммированная как сводка, суммирует области адресов, к которым можно получить доступ через соответствующий маршрутизатор. Это также гарантирует, что таблицы маршрутизации в пограничных маршрутизаторах не станут слишком большими.
· шлюз (gateway) – компьютер, выполняющий преобразование протоколов. Шлюзы работают на уровнях модели OSI с 4 по 7 (например, шлюз электронной почты). Шлюзы очень часто выполняют преобразование нескольких протоколов в зависимости от сетевых подключений, например, также они могут выполнять шифрование/дешиф-рование данных;
· мост (bridge) – компьютер, соединяющий две сети и более, использующий один протокол. Мост работает на уровне 2 модели OSI и использует адреса канального уровня (а не адреса IP);
· маршрутизатор (router) – компьютер, пересылающий дейтаграммы в сети. Маршрутизаторы работают на уровне 3 модели OSI и дополнительно могут выполнять другие функции, например, преобразование сетевых адресов (NAT) или обеспечение безопасности.
Каждое из этих устройств, согласно своим функциям, выполняет передачу данных по объединенным сетям.
