Лекция 9. Протоколы маршрутизации
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, вычленяет из него адрес сети, чтобы идентифицировать сеть адресата в пределах сети Интернет. 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.
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
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 distance-vector определяют расстояние и направление, т.е. вектор некоторого соединения в составной сети. Расстояние может быть выражено в количестве маршрутизаторов или переходов (hop count) в соединении на пути от узла источника к адресату назначения или других значениях метрики. При использовании алгоритма distance-vector 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.
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).
Таким образом, маршрутизатор ретранслирует пакет, используя две основных функции:
— функцию определения пути с использованием сетевой части адреса,
— функцию коммутации, принимая пакет на входной интерфейс и продвигая его на выходной интерфейс, который определяется функцией определения пути.
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:
— обобщенную стоимость и другие параметры сетевого соединения.
Маршрутизаторы могут использовать один какой-то 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 да 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)
IGRP (Interior Gateway Routing Protocol)
EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)
OSPF (Open Shortest Path First).
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 (табл.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 только в пределах широковещательного домена, т.е. в пределах сети или подсети.
Таблица ARP маршрутизатора А
Протоколы маршрутизации в сетях TCP/IP
Так же протоколы маршрутизации делятся на два вида в зависимости от сферы применения:
Перечень протоколов маршрутизации составляют протоколы: RIP v1/v2, RIPng (IPv6), OSPF, BGP v4 (IPv6).
Дистанционно-векторный алгоритм
В дистанционно-векторном алгоритме (DVA) основная идея заключается в рассылке маршрутизаторов друг другу так называемого вектора расстояний. В векторе расстояний содержится информация (расстояние) от передающего маршрутизатора до всех соседних (известных) ему сетей.
Под расстоянием, в векторе расстояний, подразумевается любой параметр метрики, в частности, может быть количество пройденных маршрутизаторов (по хопам) или время, затраченное на передачу пакетов от одного маршрутизатора до другого, здесь особой роли не играет какой именно параметр метрики выбран.
После получения маршрутизатором вектора расстояний от соседнего маршрутизатора, маршрутизатор обновляет или добавляет к вектору всю известную ему информацию о других сетях, о существовании которых он узнал непосредственно (сети подключенные непосредственно к маршрутизатору) или из аналогичных векторов расстояний. Далее маршрутизатор выбирает из нескольких альтернативных путей лучший по выбранному параметру метрики и рассылает новое значение вектора по сети. В результате чего, все маршрутизаторы получают информацию обо всех подключенных к интрасети сетях и о расстоянии (метрики) до них через соседние маршрутизаторы.
Недостаток, дистанционно-векторных алгоритмов, заключается в том, что они хорошо работают только в относительно небольших вычислительных сетях. Так как маршрутизаторы постоянно обмениваются вектором расстояний, что приводит к забиванию линий связи широковещательным трафиком в больших сетях. Еще одним недостатком данного алгоритма является то, что не всегда корректно реагирует на изменения в конфигурации сети, поскольку маршрутизаторы передают только обобщенную информацию – вектор расстояний, что приводит к тому, что маршрутизаторы не содержат конкретного представления о топологии связей.
Самым распространенным представителем дистанционно-векторного алгоритма является протокол RIP (Routing Information Protocol) – протокол маршрутной информации.
Алгоритм состояния связей
Алгоритм состояния связей (LSA) снабжает все маршрутизации информацией, необходимой для построения подробного графа связей составной вычислительной сети. Все маршрутизаторы основываются на одинаковых графах, в следствии чего:
- маршрутизаторы быстрее реагирует на изменение конфигурации сети;
- быстрее вычисляется оптимальный маршрут следования, по выбранным критериям (метрике).
Дополнительную информацию о других сетях маршрутизаторы получаются путем обмена короткими пакетами, называемыми HELLO, со своими соседями. Отличительной особенностью алгоритма LSA от алгоритма DVA, который постоянно обменивается широковещательными пакетами (вектор расстояний), алгоритм LSA использует небольшие пакеты HELLO, содержащие информацию только о состоянии линий связи. Более развернутую информацию о сетях, алгоритм состояния связей передает в том случае, когда, на основе пакетов HELLO, было зафиксировано изменение состояния линий связи (например, маршрутизатор вышел из строя или добавили новый маршрутизатор).
Как результат, алгоритм состояния связей более приспособлен к большим составным вычислительным сетям, поскольку содержит меньшее количество широковещательных пакетов, что увеличивает пропускную способность и устойчивость составной сети.
Протоколы, основанные на алгоритме состояния связей (LSA), являются:
- протокол OSPF(Open Shortest Path First, алгоритм кратчайшего пути) стека TCP/IP;
- протокол IS-IS(Intermediate System to Intermediate System, алгоритм промежуточной системы) стека OSI.