Формат заголовка IP 6 версии

Главная цель изменения формата заголовка – уменьшение объема служебной информации, передаваемой с каждым пакетом.

Для этого вводятся понятия основного и дополнительного заголовков. Основной заголовок присутствует всегда, а дополнительные заголовки являются опциональными.

Основной заголовок имеет фиксированную длину и фиксированную структуру, тогда как дополнительные заголовки могут менять свой размер.

1) Версия – 4 бита

2) Приоритет или класс трафика – 8 бит – используется как отправителем, так и промежуточными маршрутизаторами.

3) Метка потока – 20 бит – используется наряду с приоритетом для организации классов обслуживания

4) Длина – 16 бит, но не заголовка, а содержимого пакета в байтах (того, что следует за заголовком)

5) Следующий заголовок – 8 бит – по значению он соответствует полю протокол в IP 4 и определяет тип заголовка, который следует за основным. Каждый дополнительный заголовок так же содержит такое поле. Если дополнительных заголовков в этом пакете нет, то в этом поле содержится значение, закрепленное за протоколами транспортного уровня в стандарте IP 4 версии

6) Лимит переходов – 8 бит, по смыслу похоже на поле TTL в IP 4, каждый маршрутизатор уменьшает значение поля на 1

7) Адрес источника и адрес приемника по 128 бит.

Основной заголовок занимает 40 байт

Существует несколько типов дополнительных заголовков:

1) Routing– используется для указания полного маршрута при маршрутизации от источника

2) Fragmentation – вся фрагментация и дефрагментация производится в конечный узлах.

3) Autentification – содержит информацию для аутентификации конечных узлов и обеспечения целостности IP-пакетов

4) Encapsulation – инкапсуляция, содержит информацию, необходимую для обеспечения конфиденциальности передаваемых данных путем шифрации и дешифрации

5) Destination options – содержит дополнительную информацию для узла назначения

Маршрутизаторы обрабатывают только основной заголовок, дополнительные заголовки как правило обрабатываются в конечных узлах.

Повышение пропускной способности сети

Может реализовываться в 2-х основных направлениях:

1) Повышение пропускной способности физических каналов

2) Повышение пропускной способности маршрутизаторов, особенно магистральных:

· Перенесение функций фрагментации с маршрутизаторов на конечные узлы, которые должны найти минимальный размер максимально допустимого пакета вдоль всего пути следования этого пакета. Для этого маршрутизаторы не выполняют фрагментацию пакетов, а только посылают сообщения протокола ISMP слишком длинный пакет узлу отправителя, который должен уменьшить размер пакета.

· Уменьшение размера маршрутных таблиц, следовательно, уменьшение времени их просмотра и времени обновления. Кроме того уменьшается служебный трафик, создаваемый протоколами маршрутизации.

· Снижение так называемых накладных расходов, то есть уменьшение размера обязательного заголовка и отказ от обработки опциональных параметров

· Использование в качестве номера узла его MAC-адреса, что избавляет маршрутизаторы от необходимости использовать ARP пакеты.

Качество обслуживания

Для поддержки качества обслуживания в протоколе IP 6 введено понятие метка потока, которая указывает на принадлежность данного пакета к некоторому потоку, для которого требуется обеспечить определенные параметры обслуживания. Потоки обрабатываются маршрутизаторами на основе метки потока и идентификатора источника, что позволяет каждому источнику локально назначать значение метки. Для того, чтобы конечные узлы могли сообщить маршрутизаторам сети их потребности в качестве обслуживания своих потоков, необходим дополнительный протокол, которым является протокол RSVP.

Алгоритмы маршрутизации

Это – Совокупность действий, выполняемых активными компонентами сети для обеспечения корректной доставки пакетов абонентам данной сети. Алгоритмы маршрутизации делятся по следующим характеристикам: 1) цели и задачи, решаемые этим алгоритмом 2) типы алгоритмов маршрутизации, каждый из которых по-разному влияет на сеть и ресурсы маршрутизации 3) показатели, влияющие на расчет оптимальных маршрутов.

Цели разработки алгоритмов маршрутизации

1) Оптимальность – характеризует способность алгоритма маршрутизации выбирать наилучший маршрут, зависящий от показателей и от веса этих показателей, используемых при проведении расчета.

2) Простота и низкие непроизводительные затраты – алгоритм маршрутизации должен эффективно выполнять свои функции с минимальными затратами программного обеспечения

3) Живучесть и стабильность. Алгоритмы маршрутизации должны четко функционировать в случае отказа аппаратуры в условиях высокой нагрузки или некорректной реализации.

4) Быстрая сходимость – сходимость – это процесс согласования между всеми маршрутизаторами по оптимальным маршрутам. Алгоритм маршрутизации, который сходится медленно, может привести к образованию так называемых петель маршрутизации.

5) Гибкость – алгоритм маршрутизации должен быстро и точно адаптироваться к разнообразным обстоятельствам в сети. Например – изменение полосы пропускания, длины очереди, величины задержки в сети и так далее.

Типы алгоритмов маршрутизации

1) Статические и динамические алгоритмы – статические алгоритмы как таковые алгоритмами не являются, статические таблицы маршрутизации устанавливаются и изменяются администратором сети вручную. Эти алгоритмы просты для разработки и хорошо функционируют там, где трафик сети предсказуем, а схема сети относительно простая. Такие алгоритмы не могут реагировать на изменения в сети, в связи с чем они не пригодны для современных, постоянно изменяющихся сетей.

Динамические алгоритмы маршрутизации подстраиваются к изменяющимся обстоятельствам в сети в реальном времени. Они выполняют это путем анализа поступающих сообщений об обновлении маршрутизации. Динамические алгоритмы могут дополнять статические там, где это возможно.

2) Одномаршрутные или многомаршрутные. Одномаршрутные поддерживают только 1 маршрут к пункту назначения, а многомаршрутные – несколько

3) Одноуровневые и иерархические алгоритмы. В одноуровневой системе маршрутизации все маршрутизаторы равны по отношению друг к другу. В иерархической системе некоторые маршрутизаторы формируют так называемую базу маршрутизации. Пакеты из не базовых маршрутизаторов перемещаются к базовым и пропускаются через них до тех пор, пока не достигнут общей области пункта назначения. Начиная с этого момента они перемещаются от последнего базового маршрутизатора через 1 или несколько не базовых до конечного пункта назначения. Система маршрутизации в этом случае образует так называемую автономную систему или домены. В очень крупных сетях могут существовать дополнительные уровни иерархии. Основное преимущество - имитация организации большинства компаний и следовательно – поддержка их схемы трафика.

4) Алгоритмы с интеллектом главной вычислительной машины и маршрутизаторы. Интеллект, находящийся в главной вычислительной машине подразумевает так называемую маршрутизацию от источника. То есть конечный узел знает все о маршруте пункта назначения. В этих случаях сами маршрутизаторы функционируют как устройства хранения и пересылки пакетов. Интеллект, находящийся в маршрутизаторе предполагает, что узел отправитель ничего не знает о маршруте к пункту назначения. В этом случае каждый отдельный маршрутизатор определяет маршрут, основываясь только на своих данных. Система с интеллектом в главной вычислительной машине чаще выбирают наилучшие маршруты, так как могут просчитать все возможные варианты в целом. Однако это требует больших вычислительных затрат в узле отправителя, приводит к росту служебного трафика в сети, связанного с анализом возможных вариантов маршрута и в целом снижает вероятность доставки пакета, так как в случае отказа какого-то промежуточного узла пакет не будет доставлен, так как маршрутизаторы не определяют альтернативного варианта доставки

5) Внутридоменные и междоменные алгоритмы.

6) Алгоритм состояния канала и алгоритмы вектора расстояния. Алгоритмы состояния канала направляют потоки маршрутной информации во все узлы объединенной сети. Однако каждый маршрутизатор посылает только ту часть таблицы, которая описывает состояние его собственных каналов. Алгоритмы вектора расстояния (алгоритмы Белдана-Форда) требуют от каждого маршрутизатора посылки всей или части своей маршрутной таблицы, но только своим соседям. Алгоритмы состояния канала фактически направляют небольшие корректировки по всем направлениям, в то время, как алгоритмы вектора расстояния отсылают более крупные корректировки только в соседние маршрутизаторы. Алгоритмы состояния канала отличаются более быстрой сходимостью и меньше склонны к образованию петель маршрутизации, но характеризуются более сложными расчетами, требуя большей процессорной памяти и вычислительной мощности. То есть их реализация и поддержка в целом обходится дороже.

Показатели алгоритмов маршрутизации или так называемые метрики

Маршрутные таблицы содержат информацию, которую используют программы коммутации для выбора наилучшего маршрута. Сложные алгоритмы маршрутизации могут базироваться на множестве показателей, комбинируя их таким образом, что в результате получается 1 гибридный показатель. Основные показатели следующие:

1) Длина маршрута – наиболее общий показатель, так как многие протоколы маршрутизации позволяют назначать произвольные единицы для измерения длины каждого отдельного участка сети

2) Надежность

3) Задержка

4) Ширина полосы пропускания

5) Нагрузка

6) Стоимость связи

Протоколы маршрутизации

Типы протоколов маршрутизации

При выполнении какого-то алгоритма маршрутизации узел должен получать информацию от соседних узлов, выполняющих такой же алгоритм, информацию о сетях, которые могут быть достижимы при передаче данных через каждый соседний узел. Собирая полученную информацию каждый узел может определить направление, то есть маршрут передачи данных для каждой из достижимых сетей. В случае, если таких направлений несколько, алгоритм предусматривает использование специального критерия для выбора оптимального маршрута. В зависимости от способа, который используется для обеспечения обмена информацией о маршрутах при выполнении алгоритма маршрутизации, различают 2 типа протоколов маршрутизации:

1) DVA – distant vector – предусматривают передачу информации о маршрутах через определенные промежутки времени, при этом передаются таблицы маршрутизации.

2) LSA – link state – предусматривают передачу информации о маршрутах в момент первоначального включения или при возникновении изменений в существующей структуре информационной связи. При этом передаются только сами изменения

ARP/RARP протоколы

ARP – address resolution protocol – используются для отображения IP адресов в MAC адреса. Осуществляется только перед отправкой пакета. Так как IP и МАС адреса устанавливаются и выбираются независимо друг от друга то не существует определенного алгоритма для этого отображения. Для преобразования адресов используется ARP таблица. Эта таблица храниться в памяти и содержит строки для каждого отдельного узла в сети. Эта таблица заполняется автоматически модулем ARP по мере необходимости. Когда с помощью существующей таблицы нельзя преобразовать адреса, выполняется следующее – по сети передается широковещетальный ARP запрос и исходящий IP пакет ставится в очередь. Каждый сетевой адаптер принимает этот широковещательный пакет и передает его своему ARP модулю, который в свою очередь проверяет поле искомого IP адреса в полученном пакете, и если он совпадает с его IP адресом, то формируется соответствующий ARP ответ, который направляется по МАС адресу отправителя запроса. После получения этого ответа соответствующие изменения вносятся в таблицу.

Для осуществления обратного преобразования используется протокол revers ARP – RARP по той же схеме.

Протокол RARP – предназначен для определения IP-адреса для отдельного узла сети, который определен своим физическим MAC-адресом. Необходимость в использовании такого протокола возникает в тех случаях, когда в сети используются бездисковые рабочие станции. Так как специальных запоминающих устройств для хранения сетевого адреса на бездисковой рабочей станции нет, то этот адрес может быть присвоен и динамически. Для того, чтобы пакет протокола RAPR мог достичь всех абонентов данной сети, в качестве МАС-адреса узла назначения используются широковещательный адрес типа broadcast. Сформированный таким образом пакет называет RAPR-запросом. На такой запрос может ответить устройство, выполняющее функции RARP сервера. Функцию RAPR сервера выполняет специальная станция, которая может установить соответствие между физическими адресами и логическими. Это соответствие устанавливается при помощи таблиц, в которых для каждой бездисковой станции по ее физическому адресу ставится в соответствие логический адрес. Таким образом информационное взаимодействие включается следующие этапы:

1) Получение RAPR запроса от рабочей станции

2) RAPR сервер определяет значение МАС-адреса

3) RAPR сервер определяет по таблице значение сетевого адреса

4) RAPR сервер формирует пакет с RARP ответом

Использование одной рабочей станции в качестве RAPR сервера не может обеспечить необходимой надежности. Поэтому необходимо обеспечить резервирование RAPR серверов. При этом простое дублирование может привести к возникновении дополнительных трудностей, к которым относится возникновение коллизий, при одновременном ответе обоих серверов на один запрос. Для преодоления этих трудностей должно быть произведено ранжирование серверов на первичный и вторичный. При этом могут использоваться 2 схемы:

1) Ответ вторичного сервера задерживается на 1 такт

2) Ответ задерживается на случайный отрезок времени

При использовании первой схемы в сети может быть только 1 вторичный сервер, который отвечает на запрос только в том случае, если запрос был послан повторно. В этом случае так же велика вероятность коллизий, если первый запрос был потерян из-за сбоев в сети. При использовании 2 схемы в сети могут присутствовать несколько вторичных серверов, каждый из которых задерживает свой ответ на случайный промежуток времени. При этом вероятность возникновения коллизий снижается.

RIP-протокол – routing information protocol

Относится к классу протоколов DVA – протоколам вектора состояния. Один из самых простых и самых первых протоколов маршрутизации, появившихся в сетях вообще и в интернете в частности.

Предназначен для использования в качестве внутри доменного протокола и, в следствии простоты, обладает рядом ограничений:

1) Ограничение на длину маршруту – не более 15 переходов. Является непреодолимым

2) Большая вероятность зацикливания маршрутов – возникновения петель маршрутизации.

3) Формат метрики – очень простая метрика, а именно – длина маршрута в переходах.

Расчет метрики в RIP протоколе

Для определения метрики от узла i до узла j узел i запрашивает у всех соседних узлов их оценки метрики до узла j. Затем к этим оценкам узел i прибавляет свою оценку длины маршрута для каждого узла. В качестве оптимального выбирает тот маршрут, у которого полученная характеристика является минимальной.

Отслеживание изменения в топологии сети

В протоколе RIP каждый узел, участвующий в маршрутизации, каждые 30 секунд отправляет обновление в своей таблице маршрутизации всем своим соседям. Если для некоторого узла А сообщения обновления не поступают от некоторого соседнего узла G, то этот узел помечается как недостижимый. Соответственно все сети, маршрут которых пролегал через этот узел, так же помечаются, как недостижимые и маршрутизатор А начинает прокладывать новые маршруты.

Для того, чтобы пометить узел, как недостижимый, метрики соответствующего маршрута присваивается значение = бесконечности для этого протокола. А конкретно оно = 16, то есть запись об этом маршруте из таблицы маршрутизации не удаляется.

Возникновение циклических маршрутов.

В нормальном состоянии все узлы и каналы сети функционируют нормально. Если в какой-то момент времени перестает существовать какой-либо канал, то на протяжении 30 секунд будет обновлена таблица маршрутизации. Соседи, получающие обновления, могут получать их асинхронно и существует возможность появления петли маршрутизации – когда узлы считают что им достижимы некая 3-я сеть, недостижимая в данный момент, друг через друга.

Существует несколько путей преодоления данной ситуации:

1) Правило расщепленный горизонт – split horizon. По этому правилу маршрутизатор разделяет свои маршруты на несколько групп по количеству активных интерфейсов. Обновление для маршрутов, которые получены через некоторый интерфейс, не должны передаваться через этот же интерфейс.

2) У этого правила существует модификация – split horizon with poisoned reverse. Эта модификация разрешает передачу обновлений для потенциально опасных с точки зрения возникновения петель маршрутов, но метрики таких маршрутов устанавливаются равными бесконечности

3) Triggered update – управляемая модификация. Использование первых 2-х правил позволяет избежать появления зацикленного маршрута у 2-х маршрутизаторов. Однако, в случае возникновения петли между 3-мя и более маршрутизаторами, эти правила не работает. Использование этого правила предписывает необходимость формирования мгновенных модификаций в том случае, если произошло изменение состояния сети. Это значительно снижает вероятность возникновения петель маршрутизации, но в следствии конечности скорости распространения модификации такие петли все равно могут возникать.

Недостатки протокола RIP:

1) Невозможность использования внеклассовых сетей

2) Невозможность использования независимых областей маршрутизации

Эти недостатки были устранены при формировании RIP 2

 

Протокол маршрутизации OSPF

Является стандартным протоколом маршрутизации для использования в сетях IP.Основные принципы организации данного протокола изложены в версии RFC-2328. Это протокол класса LSA и обеспечивает отсутствия ограничений на размер сети, поддержка внеклассовых сетей, передачу обновленний маршрутов с использованием адресов типа multicast, большую скорость установления маршрута, использования процедуры аутентификации при передачи и обновлении маршрутов.

Преимущестива OSPF протокола:

1) Иерархическая маршрутизация. При этом повышается эффективность использования каналов передачи данных за счет сокращения передаваемого по ним служебного траффика.

2) Распределение нагрузки между параллельными каналами. Динамическое перераспределение выполняется пропорционально степени загруженности этих каналов.

3) Процедура установления подлинности источника информации

4) способы организации обмена информации о маршрутах. Есть 2 способа: использование адресов типа multicast для информационного обмена между маршрутизаторами в процессе определения маршрута, что позволяет отказаться от использования адресов типа broadcast с целью повышения эффективности использования вычислительных ресурсов сети; Использование механизма "назначенных" маршрутизаторов.

5) Формат метрики. Метрика формируется по специальному алгоритму и учитывает следующие параметры: пропускная способность канала, величина распространения сигнала в канале, надежность канала, загруженность, размер максимального блока данных, который может быть перердан через данный канал.

6) Построение дерева кратчайших путей

 

Термины и определения протокола OSPF

Автономные системы (AS) - группа маршрутизаторов, находящихся под одним административным управлением. Используют один и тот же протокол маршрутизации

Соседние маршрутизаторы (Neighboring routers) - маршрутизаторы, подключенные к одной и той же сети.

Соседи (Adjacency) - маршрутиазторы из числа соседних, которые выбраны для установления так называемых особых отношений, подразумевающих под собой обмен маршрутной информацией. Устанавливаются не в каждой паре соседних маршрутизаторов.

Объявление о состоянии каналов (Link State Advertisement, LSA) - блок данных, который содержит информацию о состоянии маршрутизатора или сети. Если это объявление представляет собой состояние маршрутиазатора, то оно должно содержать информацию о статусе его интерфейсов и близких ему маршрутизаторов. Каждое такое объявление распространяется по всей автономной системе. Совокупность таких LSA формирует базу данных маршрутизации в каждом из маршрутизаторов.

Процесс распространения LSA в пределах AS (Flooding).

Hello Protokol - протокол, при помощи которого маршрутизаторы устанавливают и обслуживают близкие отношения.

Назначенный маршрутизатор (Desighoted Router) - возможно возникновение ситуации, когда к одной сети оказываются подключенными несколько входящих в 1 домен маршрутизации OSPF маршрутизаторов. Для того, чтобы избежать дублирования представлений этой сети несколькими маршрутизаторами, в протоколе OSPF используется специальный алгоритм, позволяющий выбрать назначенный маршрутизатор. В этом случае только он обеспечивает передачу информации о маршрутах в пределах сегмента данной сети.

 

Типы маршрутизаторов OSPF

При использовании протоколов, обеспечивающих иерархическую организацию, информационная система разбивается на независимые области по функциональному признаку. В зависимости от того, какой области принадлежит маршрутизатор и какие информационные потоки через него проходят, различают 4 типа маршрутизаторов OSPF:

рисунок 8

IR - внутренний маршрутизатор (Internal Routers) - размещаются внутри автономной системы и не имеют интерфейсов, выходящих за пределы этой автономной системы.

BR (Backbone Router) - маршрутизаторы, которые имеют интерфейс в 0-вой области.

ABR (Area Backbone Router) - пограничный маршрутизатор области. Размещаются на границе между областями в пределах автономной системы и имеют интерфейсы, связывающие их с маршрутизаторами в других областях. Предназначены они для того, чтобы передавать информацию о маршрутах между соседними областями.

ASBR (Autonomous System Backbone Router) - пограничный маршрутизатор автономной системы - имеет интерфейсы в дрругие автономные системы и предназначен для передачи информации между автономными системами.

 

База данных маршрутизаторов OSPF

БД отображают текущую структуру информационных связей в рассматриваемой области маршрутизации. Эти БД должны быть идентичны у всех маршрутизаторов, которые расположенны в пределах одной области. Эти БД состоят из сообщений LSA и формируются всеми активными маршрутизаторами данной области. Сообщения LSA формируются при каждом изменении состояния канала и передаются всеми маршрутизаторами данной области методом затопления. Существуют несколько типов сообщений LSA:

1) LSA типа 1 - отображает состояние каналов маршрутизатора и формируется каждым маршрутизатором для каждой области, в которой он имеет активные интерфейсы. Они содержат объединенную информацию о состоянии канала, который имеет маршрутизатор в данной области. Сообщения этого типа распространяются только в пределах одной области.

2) LSA типа 2 - отражает состояние сети. Формируются в сетях, которые могут быть отнесены к классу ETHERNET. Указываются идентификаторы всех маршрутизаторов, подключенных к данной сети. Формирование сообщений этого типа осуществляется назначенным маршрутизатором.

3,4) LSA типа 3 и 4 - формируются пограничными маршрутизаторами. LSA типа 3 - описыавает маршруты к сетям. LSA типа 4 - описывает маршруты к пограничным маршрутизаторам автономной системы.

5) LSA типа 5 - содержит информацию о маршрутах, являющихся внешними по отношению к данной AS и формируются пограничными маршрутизаторами AS.