Маршрутизаторы, протоколы маршрутизации

Маршрутизатор (router) — устройство, работающее на третьем сетевом уровне модели OSI. Маршрутизатор принимает решения о пересылке пакетов сетевого уровня модели OSI их получателю на основании информации об устройствах в сети (таблицы маршрутизации) и определенных правил. При этом в пределах сегмента он работает на канальном уровне модели OSI, а между сегментами — на сетевом. На сетевом уровне создается логический адрес сети. Этот адрес присваивается операционной системой или администратором системы для идентификации группы компьютеров. Такую группу иначе называют subnet (подсеть) [52]. Подсеть может совпадать или не совпадать с физическим сегментом. Физические адреса устройств задаются производителем аппаратуры аппаратно или с помощью программного обеспечения. Например, физический адрес рабочей станции — уникальный адрес сетевого адаптера, который присваивается производителем, а база данных — ведется компанией Xerox. Двух устройств с одним физическим адресом в сети не может быть. Маршрутизаторы «не видят» физических сегментов, они пересылают информацию по логическим адресам подсетей.

Маршрутизация — это процесс поддержания таблицы маршрутизации и обмена информацией об изменениях в топологии сети с другими маршрутизаторами.

Эта функция реализуется с помощью одного или нескольких протоколов маршрутизации либо с помощью статически настроенных таблиц маршрутизации.

Маршрутизация может осуществляться по разным алгоритмам и быть статической или динамической.

При статическом способе путь между любой парой маршрутизаторов неизменен, например от маршрутизатора В к маршрутизатору А маршрут всегда проходит через маршрутизаторы D и F.

При динамической маршрутизации пути передачи сетевого трафика между маршрутизаторами зависят от текущей загрузки сети и реальной топологии сети. Это имеет смысл, если в сети возможны разные пути между маршрутизаторами. Для оценки маршрута в реальном времени применяют параметры — метрики. Наименьшей метрикой обладают наиболее предпочтительные маршруты. Например, маршруты минимальной протяженности, которые измеряются числом маршрутизаторов на пути, или маршруты с минимальной задержкой. Таблица маршрутизации, с помощью которой маршрутизатор определяет оптимальный путь, хранится в RAM-памяти маршрутизатора. Наиболее известные протоколы маршрутизации, которые есть обычно у всех маршрутизаторов [26, 41, 42], это:

• протокол маршрутной информации RIP (Routing Information Protocol);

• усовершенствованный протокол маршрутизации внутреннего шлюза EIGRP (Ehanced Interior Gateway Routing Protocol);

• открытый протокол предпочтения кратчайшего пути OSPF (Open Shortest Path First).

RIP является дистанционно-векторным протоколом [8, 9, 26] и использует в качестве метрики пути число переходов через маршрутизаторы (hops). Максимально разрешенное число переходов — 15. Маршрутизатор с определенной периодичностью (по умолчанию через каждые 30 с) извлекает адреса получателей информации и метрики из своей таблицы маршрутизации и помещает эти данные в рассылаемые соседним маршрутизаторам сообщения об обновлении. Соседние маршрутизаторы сверяют полученные данные со своими собственными таблицами маршрутизации и вносят необходимые изменения. После этого они сами рассылают сообщения об обновлении. Таким образом, каждый маршрутизатор получает информацию о маршрутах всей сети. Протокол RIP может работать эффективно только в небольших сетях.

OSPF — более сложный протокол; относится к протоколам состояния канала [8, 9, 26] и ориентирован на применение в больших гетерогенных сетях. Для выяснения состояния связей соседние OSPF-маршрутизаторы достаточно часто обмениваются короткими сообщениями hello. Для распространения по сети данных о состоянии связей маршрутизаторы используют широковещательную рассылку сообщений другого типа, которые называются router links advertisement — объявление о связях маршрутизатора (точнее, о состоянии связей). OSPF-маршрутизаторы получают информацию о состоянии всех связей сети. Эта информация используется для построения графа связей сети. Этот граф один и тот же для всех маршрутизаторов сети. Кроме информации о соседних маршрутизаторах маршрутизатор в своем объявлении перечисляет подсети, с которыми он связан непосредственно. Вычисление маршрута с минимальной метрикой до каждой подсети производится непосредственно по построенному графу с использованием алгоритма Дэйкстры [8].

Маршрутизаторы выполняют не только функцию маршрутизации, но и функцию коммутации, т. е. обеспечивают перенаправление пакетов с входного интерфейса маршрутизатора на выходной интерфейс в зависимости от таблицы маршрутизации.

В настоящее время из-за распространения технологии Ethernet на магистральные каналы передачи данных, в которых в качестве физической среды используется оптоволоконный кабель, широкое распространение получили коммутаторы третьего уровня. Такие коммутаторы, так же как и маршрутизаторы строят таблицы маршрутизации и на их основе осуществляют маршрутизацию сетевого трафика. Отличие в том, что маршрутизатор проводит коммутацию пакетов между интерфейсами с различными протоколами второго уровня, т. е. маршрутизатор проводит переупаковку полезной информации из поступающих к нему пакетов различных протоколов второго уровня, например, из Ethernet в РРР или Frame Relay [20, 26].

Коммутаторы же третьего уровня могут только просматривать информацию сетевого уровня, находящуюся в поступающих на его интерфейсы пакетах. На основе полученной информации коммутатор третьего уровня производит коммутацию пакета на выходной интерфейс. Коммутатор третьего уровня не переупаковывает полезную информацию из поступающих к нему кадров. Администратору системы следует иметь в виду, что применение коммутаторов третьего уровня возможно только в сетях Ethernet.

Маршрутизирующие протоколы и алгоритмы работы маршрутизации на маршрутизаторах и коммутаторах третьего уровня одинаковые. Локальные таблицы маршрутизации, которые используются маршрутизатором для определения наилучшего пути от источника к пункту назначения, обычно содержат следующие записи:

• механизм, по которому был получен маршрут;

• логический адрес сети или подсети;

• административное расстояние;

• метрика маршрута;

• адрес интерфейса маршрутизатора, расположенного на расстоянии одной пересылки, через который доступна сеть-получатель;

• время присутствия маршрута в таблице;

• выходной интерфейс маршрутизатора, через который доступна сеть-получатель.

Так как одновременно на маршрутизаторе может быть запущено сразу несколько протоколов маршрутизации, необходим метод выбора между маршрутами, полученными от разных протоколов маршрутизации. В маршрутизаторах для выбора маршрутов, полученных от разных протоколов маршрутизации, используется концепция административного расстояния.

Административное расстояние рассматривается как мера достоверности источника информации о маршруте.

Малые значения величины административного расстояния предпочтительнее больших значений. Стандартные значения административного расстояния устанавливаются администратором системы такими, чтобы значения, вводимые вручную, были предпочтительнее значений, полученных автоматически, и протоколы маршрутизации с более сложными метриками были бы предпочтительнее протоколов маршрутизации, имеющих простые метрики.

При этом процесс маршрутизации выбирает маршрут, обладающий наименьшим значением метрики.

Наиболее часто в алгоритмах маршрутизации используются перечисленные ниже параметры [8, 9, 26].

Ширина нолосы пропускания — это средство оценки объема информации, который может быть передан по каналу связи в единицу времени.

Задержка — это промежуток времени, необходимый для перемещения пакета по каждому из каналов связи от отправителя к получателю. Задержка зависит от пропускной способности промежуточных каналов, размера очередей в портах маршрутизаторов, загрузки сети и физического расстояния.

Утилизация канала — Это средняя загруженность канала связи в единицу времени.

Надежность — относительное число ошибок в канале связи.

Число переходов — число маршрутизаторов, которые должен пройти пакет, прежде чем достигнет пункта назначения.

Стоимость — значение, обычно вычисляемое на основе пропускной способности, денежной стоимости или других единиц измерения, назначаемых администратором сети.

. После создания таблицы маршрутизации маршрутизатор должен поддерживать ее точное соответствие реальной топологии сети. Поддержка таблиц маршрутизации осуществляется либо администратором сети вручную, либо с помощью динамических протоколов маршрутизации. Независимо от того, конфигурируются ли маршруты вручную или с помощью протоколов маршрутизации, точность отображения маршрутов является ключевым фактором в способности маршрутизатора обеспечивать пересылку данных ее получателям.

Существует несколько механизмов маршрутизации, которые маршрутизатор использует для построения и поддержания в актуальном состоянии своей таблицы маршрутизации. При инициализации операционной системы маршрутизатора это должно учитываться администратором сети. В общем случае при построении таблицы маршрутизации маршрутизатор применяет комбинацию следующих методов маршрутизации:

• прямое соединение;

• статическая маршрутизация;

• маршрутизация по умолчанию;

• динамическая маршрутизация.

И хотя каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, они не являются взаимоисключающими [22, 21].

Прямое соединение — это маршрут, локальный по отношению к маршрутизатору. Если один из интерфейсов маршрутизатора соединен, с какой либо сетью напрямую, то при получении пакета, адресованного такой сети, маршрутизатор сразу отправляет пакет на интерфейс, к которому она подключена, не используя протоколы маршрутизации. Прямые соединения всегда являются наилучшим способом маршрутизации.

Статические маршруты — это такие маршруты к сетям получателям, которые АС вручную вносит в таблицу маршрутизации. Статический маршрут определяет IP-адрес следующего соседнего маршрутизатора или локальный выходной интерфейс, который используется для направления трафика к определенной сети получателю.

Статический маршрут не может быть автоматически адаптирован к изменениям в топологии сети. Если определенный в маршруте маршрутизатор или интерфейс становятся недоступными, то маршрут к сети получателю также становится недоступным.

Преимуществом этого способа маршрутизации является исключение служебного трафика, связанного с поддержкой и корректировкой маршрутов.

Статическая маршрутизация может быть использована в тех ситуациях когда:

• администратор нуждается в полном контроле маршрутов, применяемых маршрутизатором;

• необходимо резервирование динамических маршрутов;

• есть сети, к которым возможен только один путь;

• нежелательно иметь служебный трафик, необходимый для обновления таблиц маршрутизации, например при использовании коммутируемых каналов связи;

• применяются устаревшие маршрутизаторы, не имеющие необходимого уровня вычислительных возможностей для поддержки динамических протоколов маршрутизации.

Наиболее предпочтительной топологией для использования статической маршрутизации является топология «звезда». При данной топологии маршрутизаторы, подключенные к цен

тральной точке сети, имеют только один маршрут для всего трафика, который будет проходить через центральный узел сети. В центральном узле сети устанавливаются один или два маршрутизатора, которые имеют статические маршруты до всех удаленных узлов.

Однако со временем такая сеть может вырасти до десятков и сотен маршрутизаторов с произвольным количеством подключенных к ним подсетей. Количество статических маршрутов в таблицах маршрутизации будет увеличиваться пропорционально увеличению количества маршрутизаторов в сети. Каждый раз при добавлении новой подсети или маршрутизатора администратор должен будет добавлять новые маршруты в таблицы маршрутизации на всех необходимых маршрутизаторах.

При таком подходе может наступить момент, когда большую часть своего рабочего времени администратор будет заниматься поддержкой таблиц маршрутизации в сети. В этом случае необходимо сделать выбор в сторону использования динамических протоколов маршрутизации.

Другой недостаток статической маршрутизации проявляется при изменении топологии корпоративной сети. В этом случае администратор должен вручную вносить все изменения в таблицы маршрутизации, на которые повлияли изменения в топологии сети.

Иногда статические маршруты могут использоваться в качестве резервных. Согласно административному расстоянию маршрутизатор в большей степени доверяет статическим маршрутам. Если существует необходимость сконфигурировать резервный статический маршрут для динамического маршрута, то статический маршрут не должен использоваться, пока доступен динамический маршрут. С помощью специальных опций операционной системы маршрутизатора администратор может сделать статический маршрут менее предпочтительным или более предпочтительным другому статическому маршруту.

Статический маршрут, настроенный подобным образом, появится в таблице маршрутизации только в том случае, когда станет недоступным динамический маршрут. Как только динамический маршрут вновь станет доступным, статический маршрут будет вычеркнут из таблицы маршрутизации. Такие маршруты называются плавающими.

Бывают ситуации, когда маршрутизатору не нужно знать обо всех путях в топологии. Такой маршрутизатор может быть сконфигурирован так, чтобы посылать весь трафик или его часть по специальному маршруту, так называемому маршруту по умолчанию. Маршруты по умолчанию могут задаваться с помощью протоколов динамической маршрутизации или быть настроены на маршрутизаторе вручную администратором сети.

Маршрут по умолчанию возможен для любого адреса сети получателя. Так как маршрутизатор пытается найти в таблице маршрутизации наибольшее соответствие между записями в таблице и адресом получателя, сети, присутствующие в таблице маршрутизации, будут просмотрены раньше, чем маршрутизатор обратится к маршруту по умолчанию. Если альтернативный путь в таблице маршрутизации не найден, будет использован маршрут по умолчанию.

Протоколы динамической маршрутизации могут автоматически отслеживать изменения в топологии сети.

При использовании протоколов динамической маршрутизации, администратор сети конфигурирует выбранный протокол на каждом маршрутизаторе в сети. После этого маршрутизаторы начинают обмен информацией об известных им сетях и их состояниях. Причем маршрутизаторы обмениваются информацией только с теми маршрутизаторами, в которых запущен тот же протокол динамической маршрутизации. Когда происходит изменение топологии сети, информация об этих изменениях автоматически распространяется по всем маршрутизаторам, и каждый маршрутизатор вносит необходимые изменения в свою таблицу маршрутизации.

Успешное функционирование динамической маршрутизации зависит от выполнения маршрутизатором двух его основных функций:

• поддержку таблицы маршрутизации в актуальном состоянии;

• своевременного распространения информации об известных им сетях и маршрутах среди остальных маршрутизаторов.

Для выполнения второй функции протокол маршрутизации определяет, каким образом распространяются обновления маршрутов, и какая информация содержится в обновлениях.

Также определяется, как часто рассылаются обновления и каким образом выполняется поиск получателей обновлений.

В технологии маршрутизации используют два понятия: «автономная система» и «домен маршрутизации» [20, 26].

Автономная система (Autonomous System — AS) — это набор сетей, которые находятся под единым административным управлением и в которых используются единая стратегия и правила маршрутизации. Автономная система для внешних сетей представляется как некий единый объект.

Домен маршрутизации — это совокупность сетей и маршрутизаторов, использующих один и тот же протокол маршрутизации.

В сети Интернет термин «автономная система» применяется для описания крупных логически объединенных сетей, например сетей Интернет-провайдеров [9, 10]. Каждая такая автономная система имеет в качестве своего идентификатора шестнадцатиразрядное двоичное число. Для публичных сетей Интернет-провайдеров номер автономной системы (AS) выдает и регистрирует Американский реестр Интернет-номеров (American Registry of Internet Numbers — ARIN). Согласно RFC 2270 для частных AS выделен диапазон номеров 64512—65534, автономная система 65535 зарезервирована под служебные задачи.

, Соответственно протоколы маршрутизации делятся на две категории: внутренние (Interior) и внешние (Exterior) [26].

Внутренние протоколы имеют общее название ЮР (Interior Gateway Protocol — протоколы внутреннего шлюза). К ним относится любой протокол маршрутизации, используемый исключительно внутри автономной системы. К таким протоколам принадлежат, например, RIP, IGRP, EIGRP и OSPF. Каждый IGP-протокол представляет один домен маршрутизации внутри AS. В пределах автономной системы может существовать множество IGP-доменов. Маршрутизаторы, поддерживающие один и тот же протокол IGP, обмениваются информацией друг с другом в пределах домена маршрутизации. Маршрутизаторы, работающие более чем с одним протоколом IGP, например использующие протоколы RIP и OSPF, являются участниками двух отдельных доменов маршрутизации. Такие маршрутизаторы называются граничными.

Внешние протоколы EGP (Exterior Gateway Protocol — протоколы внешнего шлюза) — это протоколы, обеспечивающие

маршрутизацию между различными автономными системами. Протокол BGP (Border Gateway Protocol — протокол пограничного шлюза) является одним из наиболее известных межсистемных протоколов маршрутизации. Протоколы EGP обеспечивают соединение отдельных AS и транзит передаваемых данных между этими автономными системами и через них.

Протоколы EGP только распознают автономные системы в иерархии маршрутизации, игнорируя внутренние протоколы маршрутизации. Граничные маршрутизаторы различных автономных систем обычно поддерживают какой-либо тип IGP через интерфейсы внутри своих AS и BGP или иной тип внешнего протокола через внешние интерфейсы, соединяющие собственную AS с удаленной. Особенности работы администратора сети с этими протоколами в этом пособии не рассматриваются.