Внутренние протоколы маршрутизации

Конкретный вариант протокола маршрутизации, действующий внутри одной автономной системы, называется внутренним протоколом маршрутизации (IGP — Interior Gateway Protocol).

Протокол RIP (Routing Information Protocol) представляет собой один из старейших протоколов обмена маршрутной информацией, однако он до сих пор чрезвычайно распространен в вычислительных сетях.

Реализация протокола RIP для семейства протоколов TCP/IP широко доступна, поскольку входит в состав программного обеспечения ОС UNIX, например, FreeBSD или Linux. В силу своей простоты протокол RIP имеет наибольшие шансы превратиться в «открытый» протокол IGP, т.е. протокол, который может использоваться для совместной работы шлюзов, поставляемых разными фирмами.

В этом протоколе все сети имеют номера (способ образования номера зависит от используемого в сети протокола сетевого уровня), а все маршрутизаторы - идентификаторы. Протокол RIP широко использует понятие "вектор расстояний". Вектор расстояний представляет собой набор пар чисел, являющихся номерами сетей и расстояниями до них в хопах.

Вектора расстояний итерационно распространяются маршрутизаторами по сети, и через несколько шагов каждый маршрутизатор имеет данные о достижимых для него сетях и о расстояниях до них. Если связь с какой-либо сетью обрывается, то маршрутизатор отмечает этот факт тем, что присваивает элементу вектора, соответствующему расстоянию до этой сети, максимально возможное значение, которое имеет специальный смысл - "связи нет". Таким значением в протоколе RIP является число 16. По умолчанию обновления маршрутизации (routing updates) рассылаются широковещательно каждые 30 секунд.

Протокол RIP с течением времени перетерпел значительную эволюцию: от классового (classful) протокола маршрутизации (RIP-1) к бесклассовому протоколу RIP второй версии (RIP-2).Усовершенствования протокола RiP-2 включают в себя:

· способность переносить дополнительную информацию о маршрутизации пакетов;

· механизм аутентификации для обеспечения безопасного обновления таблиц маршрутизации;

· способность поддерживать маски под-сетей.

На рисунке приведен пример сети, состоящей из шести маршрутизаторов, имеющих идентификаторы от 1 до 6, и из шести сетей от A до F, образованных прямыми связями типа "точка-точка".

Обмен маршрутной информацией по протоколу RIP

На рисунке приведена начальная информация, содержащаяся в топологической базе маршрутизатора 2, а также информация в этой же базе после двух итераций обмена маршрутными пакетами протокола RIP. После определенного числа итераций маршрутизатор 2 будет знать о расстояниях до всех сетей интерсети, причем у него может быть несколько альтернативных вариантов отправки пакета к сети назначения. Пусть в нашем примере сетью назначения является сеть D.

При необходимости отправить пакет в сеть D маршрутизатор просматривает свою базу данных маршрутов и выбирает порт, имеющий наименьшее расстояния до сети назначения (в данном случае порт, связывающий его с маршрутизатором 3).

Для адаптации к изменению состояния связей и оборудования с каждой записью таблицы маршрутизации связан таймер. Если за время тайм-аута не придет новое сообщение, подтверждающее этот маршрут, то он удаляется из маршрутной таблицы.

При использовании протокола RIP работает эвристический алгоритм динамического программирования Беллмана-Форда, и решение, найденное с его помощью, является не оптимальным, а близким к оптимальному. Алгоритм маршрутизации RIP (Алгоритм Беллмана - Формана) был впервые разработан в 1969 году, как основной для сети Arpanet. Преимуществом протокола RIP является его вычислительная простота, а недостатками - увеличение трафика при периодической рассылке широковещательных пакетов и неоптимальность найденного маршрута.

На рисунке показан случай неустойчивой работы сети по протоколу RIP при изменении конфигурации - отказе линии связи маршрутизатора M1 с сетью 1. При работоспособном состоянии этой связи в таблице маршрутов каждого маршрутизатора есть запись о сети с номером 1 и соответствующим расстоянием до нее.

Пример неустойчивой работы сети при использовании протокола RIP

При обрыве связи с сетью 1 маршрутизатор М1 отмечает, что расстояние до этой сети приняло значение 16. Однако получив через некоторое время от маршрутизатора М2 маршрутное сообщение о том, что от него до сети 1 расстояние составляет 2 хопа, маршрутизатор М1 наращивает это расстояние на 1 и отмечает, что сеть 1 достижима через маршрутизатор 2. В результате пакет, предназначенный для сети 1, будет циркулировать между маршрутизаторами М1 и М2 до тех пор, пока не истечет время хранения записи о сети 1 в маршрутизаторе 2, и он не передаст эту информацию маршрутизатору М1.

Для исключения подобных ситуаций маршрутная информация об известной маршрутизатору сети не передается тому маршрутизатору, от которого она пришла.

Существуют и другие, более сложные случаи нестабильного поведения сетей, использующих протокол RIP, при изменениях в состоянии связей или маршрутизаторов сети.

Протокол IGRP был разработан компанией Cisco в 80-х годах. Он основан на дистанционно-векторном алгоритме маршрутизации и применяет составную метрику, учитывающую несколько переменных. Кроме того, IGRP не ограничивается маршрутами, содержащими максимум 15 переходов.

Протокол IGRP обновляет таблицы реже, чем.RIP, и располагает более эффективным форматом кадра. Он поддерживает автономные системы, поэтому управляемые им маршрутизаторы можно помещать внутрь доменов, где весь трафик, приходящий на маршрутизатор, остается локальным. Таким образом снижается количество широковещательной информации, расходующей пропускную способ­ность всей сети.

Метрика IGRP учитывает пропускную способность, задержку, степень загруз­ки и надежность линий следующим образом:

• пропускная способность – это емкость интерфейса, измеренная в килобитах. У последовательного интерфейса она может составлять 100000 Кбит (такой скоростью обладает последовательный интерфейс коммутатора ATM). К сожалению, пропускная способность измеряется не динамически, не в дан­ный момент времени, а установлена администратором с помощью коман­ды bandwidth.
• задержка – это промежуток времени, необходимый для доставки кадра от интерфейса до пункта назначения. Задержка измеряется в микросекундах и также является статической величиной, заданной администратором при помощи команды delay. Для некоторых распространенных интерфейсов, в частности Token Ring и Fast Ethernet, такие временные интервалы уже насчитаны. Например, задержка интерфейса Fast Ethernet составляет 100 мс;
• надёжность – это отношение количества ожидаемых сообщений, подтверждающих активность, к действительно пришедшим на тот или иной интерфейс маршрутизатора. Этот параметр изменяется динамически и при выполнении команды show interface изображается в виде дроби. Например, дробь 255/255 означает стопроцентную надёжность связи;
  степень загрузки – это текущий объём трафика на данном интерфейсе. Нагрузка измеряется динамически и так же представляется в виде дроби. Например, дробь 1/255 означает интерфейс с минимальным количеством трафика, а 250/255 говорит о загруженном интерфейсе. Оценить данную величину позволяет команда show interface.

Поскольку IGRP разработан компанией Cisco и является ее собственностью, он применяется только на маршрутизаторах Cisco. Протокол RIP более уни­версален, его можно использовать в сетях IP как с маршрутизаторами Cisco, так и с устройствами других производителей.

Cisco также предоставляет усовершенствованный IGRP (EIGRP), который, располагая теми же метриками, что и простой IGRP, уведомляет об измене­ниях не регулярно, а лишь тогда, когда они происходят. Для таких - более редких - сообщений выделяется меньшая доля общей пропускной способ­ности.

Вы, вероятно, обратили внимание, что показатели надежности и нагрузки основаны на числе 255. Причина проста: хотя IGRP не работает со счетчи­ком переходов в качестве метрики, он может передавать данные в сетях с ко­личеством переходов, не превышающим 255. теоретически кадры разреша­ется пересылать через 255 устройств, поэтому данное число и фигурирует в оценке надежности и нагрузки.

Итак IGRP учитывает различную информацию при обновлении таблиц маршрутизации. Он часто применяется в крупных сетях, где протокол RIP был бы неэффективен.

Протокол OSPF (Open Shortest Path First) представляет собой протокол состояния маршрута, причём в качестве метрики используется коэффициент качества обслуживания.

Каждый маршрутизатор обладает полной информацией о состоянии всех интерфейсов шлюзов автономной системы. Определяющими являются три характеристики: задержка, пропускная способность и надёжность.

Преимущества OSPF:
- для каждого адреса может быть несколько маршрутных таблиц, по одной на каждый вид IP-операции;
- каждому интерфейсу присваивается безразмерная цена, учитывающая пропускную способность, время транспортировки сообщения; каждой IP-операции может быть присвоена своя цена;
- при существовании эквивалентных маршрутов OSFP распределяет поток равномерно по этим маршрутам;
- при связи «точка–точка» не требуется IP-адрес для каждого из концов;
- применяется мультикастинг вместо широковещательной адресации, что снижает загрузку не вовлечённых в обмен сегментов.
Недостатки OSPF — трудно получить информацию о предпочтительности каналов для узлов, поддерживающих другие протоколы или имеющих статическую маршрутизацию.

Протокол IS-IS. Учитывая, с одной стороны, широкое распространение сетей с архитектурой TCP/IP, с другой стороны, повышенное внимание правительственных и коммерческих организаций к архитектуре ЭМВОС; ожидается, что архитектуры TCP/IP и ЭМВОС будут существовать долгое время вместе. Поэтому возникает необходимость в шлюзах, способных маршрутизировать одновременно IP- и ЭМВОС-трафик.
Протокол IS-IS (Intermediate System to Intermediate System Protocol, RFC 1195) обеспечивает поддержку понятий IP-подсети, переменной маски подсети, маршрутизацию на основе значения поля «Тип сервиса» в заголовке IP-пакета и понятие внешнего маршрута.