Сетевая маршрутизация

 

Большинство сетей, работающих в государственном или частном секторе в нашей стране, давно превратились в серьезный инструмент. За сравнительно быстрое время они выросли из небольших локальных сетей в большие распределенные сети с огромным числом пользователей. В таких сетях ключевой характеристикой является надежность, так как задачи, решаемые с их помощью, зачастую напрямую влияют на успешность работы всей организации.

Существует несколько методов повышения надежности сети.

Например, разделение всей сети на подсети и введение маршрутизации способно обеспечить требуемую надежность и достаточно простую схему поиска нужного абонента.

Другой метод использует виртуальные локальные сети, которые позволяют повысить надежность за счет объединения пользователей в широковещательные домены. Для расширения таких доменов (сегментов или подсетей) с включением в них разнообразных сетевых устройств обычно применяются коммутаторы и протоколы остовых деревьев (spanning tree). И хотя такие схемы по заявлениям производителей позволяют практически неограниченно расширять подсети, при этом получается сеть, которой намного труднее управлять и в которой сложнее устранять неисправности.

В реальной жизни именно маршрутизаторы являются основными узлами сложных сетей, например Internet. В подавляющем большинстве случаев именно они, а не широко рекламируемые коммутаторы ATM, Ethernet илиFDDI, являются базовыми устройствами распределенных корпоративных сетей. Это особенно справедливо в российских условиях. В данной связи разговор о маршрутизации чрезвычайно актуален.

Как известно, протокол IP работает на сетевом уровне. Именно на этом уровне реализуется межсетевое взаимодействие, в частности, маршрутизация дейтаграмм в Internet. Но главное, что именно на сетевом уровне принимается решение о маршрутизации.

Маршрутизатор соединяет несколько различных физических сетей. Для каждого поступающего пакета маршрутизатор принимает решение о том, куда его переслать. Пакет «летает» от маршрутизатора к маршрутизатору, пока не достигнет сети, в которой находится станция-адресат. В роли маршрутизатора может выступать специальный компьютер. В большинстве реализаций стека TCP/IP рабочая станция с несколькими сетевыми интерфейсами также может выполнять функции маршрутизатора, однако для этого она должна быть специальным образом сконфигурирована.

Программное обеспечение протокола IP выполняет функции маршрутизации, выбирая путь для передачи информации в сложной схеме физических сетей. На маршрутизаторах и на конечных станциях для определения маршрута поддерживаются специальные таблицы маршрутизации. Выбор маршрута осуществляется на основе адреса сети назначения, который определяется по адресу получателя. Протокол IP определяет маршрут отдельно для каждой дейтаграмммы, не гарантируя надежной доставки в нужном порядке. Он непосредственно отображает данные на нижележащий физический уровень. Тем самым достигается высокая эффективность доставки дейтаграмм.

Распределенную сеть можно рассматривать как набор сетевых устройств и сетей, связанных между собой маршрутизаторами. Стек протоколов TCP/IP разработан для взаимодействия удаленных систем в сложных, распределенных сетях. Отдельные сети с коммутацией пакетов связываются маршрутизаторами.

Два устройства, подключенные к одной сети, могут посылать пакеты друг другу. Кроме того, сеть получает пакеты из удаленной сети и доставляет их определенному получателю в локальной сети или передает дальше, другим сетям. Если два устройства, расположенные в разных сетях, хотят переслать друг другу информацию, отправитель посылает пакеты определенному маршрутизатору. Тот передает пакет через систему маршрутизаторов и сетей до тех пор, пока пакет не достигнет маршрутизатора, который подключен напрямую к сети получателя. Этот конечный маршрутизатор затем передаст пакет получателю по известному физическому адресу. Маршрутизаторы передают пакеты, основываясь на номере (адресе) сети получателя, а не на его физическом адресе. Поэтому информация, необходимая маршрутизатору, зависит от числа сетей, составляющих общую распределенную сеть, но не от числа устройств.

Выделяют два типа маршрутизации: прямую и косвенную. При прямой мар­шрутизации отправитель в определенной IP-сети может напрямую передавать кадры любому получателю в той же сети. При этом не требуется функциональность IP-маршрутизации.

Для передачи дейтаграммы с использованием прямой маршрутизации, отпра­витель инкапсулирует эту дейтаграмму в кадр канального уровня, определяет с помощью протокола ARP физический адрес получателя по известному IP-адресу и, используя сетевое аппаратное обеспечение, доставляет дейтаграмму.

Косвенная маршрутизация происходит в том случае, если отправитель и получатель находятся в разных IP-сетях. Косвенная маршрутизация требует, чтобы отправитель передавал дейтаграммы маршрутизатору для доставки их через рас­пределенную сеть. Косвенная маршрутизация — это процесс более сложный, чем прямая маршрутизация, ввиду следующих двух причин:

q Отправитель должен определить маршрутизатор, которому необходимо адресовать дейтаграммы для доставки;

q Маршрутизатор должен уметь доставлять дейтаграммы к целевой сети, в которой располагается получатель.

Поясним на простом примере отличия прямой и косвенной маршрутизации. Предположим, что какой-либо маршрутизатор связывает две сети и, следовательно, он имеет два IP-адреса и два физических адреса для каждого из своих портов, присоединенных к этим сетям. Когда отправитель в любой из сетей направляет свой пакет маршрутизатору, то это будет прямой маршрутизацией. Если маршрутизатор отправляет пакет получателю в любой из сетей — это также прямая маршрутизация. Однако, если рассматривать взаимную работу отправителя и получателя через маршрутизатор, то их взаимодействие осуществляется с помощью косвенной маршрутизации. Маршрутизация выполняется маршрутизатором на уровне протокола IP. Этот процесс полностью прозрачен для протоколов TCP, UDP и сетевых приложений.

Перед отправкой пакета отправитель проверяет сетевой префикс IP-адреса получателя, сравнивая его с префиксом своей сети. Совпадение означает, что дейтаграмма может быть послана напрямую. Если номера сетей не совпадают, отправитель должен послать дейтаграмму маршрутизатору.

Обычно параметр «маршрутизатор по умолчанию» (default router) настраивается на каждой рабочей станции сетевым администратором. Маршрутизатор по умолчанию отвечает за доставку дейтаграмм всем устройствам, которые не подключены к сети отправителя.

Маршрутизатор принимает решение о передаче каждой дейтаграммы на основании своей таблицы маршрутизации. В качестве индекса таблицы используется номер сети, полученный из поля «Адрес получателя» в заголовке IP-дейтаграммы. Если получатель располагается в сети, подключенной к одному из портов маршрутизатора, последний может доставить дейтаграмму напрямую, не посылая ее другим маршрутизаторам. В противном случае маршрутизатор должен отослать дейтаграмму другому маршрутизатору, который находится ближе к получателю.

Существует два подхода к выбору маршрута:

q одношаговый подход;

q маршрутизация от источника.

Согласно методу одношаговой маршрутизации каждый маршрутизатор и конечный узел принимает участие в выборе только одного шага передачи дейтаграммы. В каждой строке таблицы маршрутизации указывается не весь маршрут (в виде последовательности IP-адресов маршрутизаторов, через которые должна пройти дейтаграмма), а только один IP-адрес следующего маршрутизатора (маршрутизатора на том пути, по которому нужно передать дейтаграмму). Вместе с дейтаграммой этому маршрутизатору передается и ответственность за выбор следующего шага. Такой подход распределяет задачу выбора маршрута и снимает ограничение на максимальное количество маршрутизаторов в пути. Кроме того, за счет использования маршрутизатора по умолчанию (который обычно занимает в таблице маршрутизации последнюю строку) существенно сокращается объем таблицы. Все дейтаграммы, номера сетей которых отсутствуют в таблице маршрутизации, передаются маршрутизатору по умолчанию. Подразумевается, что маршрутизатор по умолчанию передает дейтаграмму в магистральную сеть, а маршрутизаторы, подключенные к магистральной сети, имеют полную информации о ее топологии.

Существуют различные алгоритмы построения таблиц для одношаговой маршрутизации. Их делят на три класса:

q Алгоритмы фиксированной маршрутизации. Они применяются в сетях с простой топологией и основаны на составлении таблиц маршрутизации «вручную» администратором сети.

q Алгоритмы простой маршрутизации. Они разделяются на три подкласса:

· случайная маршрутизация (дейтаграммы передаются в любом случайном направлении, кроме исходного);

· лавинная маршрутизация (дейтаграммы передаются во всех направлениях, кроме исходного);

· адаптивная маршрутизация (таблица маршрутизации составляется на основании данных, содержащихся в проходящих через маршрутизатор дейтаграммах).

q Алгоритмы адаптивной маршрутизации. Основные алгоритмы, применяемые в современных сетях. Маршрутизаторы периодически обмениваются между собой информацией о сетевой топологии.

При маршрутизации от источника выбор маршрута производится конечным узлом или первым маршрутизатором на пути следования дейтаграммы. Все остальные маршрутизаторы только отрабатывают выбранный маршрут. Этот метод в сетях IP применяется только в целях отладки.

Управление таблицей маршрутизации на маршрутизаторах в большой распределенной сети является сложной задачей. Таблицы маршрутизации для отображения текущей сетевой топологии должны быть динамическими. Маршрутизатор обменивается с другими маршрутизаторами информацией о маршрутах. К протоколам маршрутизации, обменивающимися информацией о маршрутах в сетях IP, относятся: Routing Information Protocol(RIP), Open Shortest Path First Protocol (OSPF), Integrated Intermediate System to Intermediate System (ISIS), ExteriorGateway Protocol (EGP) и Border Gateway Protocol (BGP).

Сегодня Internet значительно отличается от той сети, которая была создана в 1980 году. Internet стала мировой, общедоступной информационной сетью, которая удваивается в размерах каждые девять месяцев. Однако столь бурный рост Internet неизбежно привел к выявлению большого количества проблем, связанных с маршрутизацией. При этом:

q Производительность протоколов маршрутизации значительно снизилась;

q Размер сообщений, которыми обмениваются маршрутизаторы для поддержания своих таблиц маршрутизации растет, что требует все больших ресурсов маршрутизаторов и все большей пропускной способности сети;

q Большое число маршрутизаторов, работающих с протоколами маршрутизации, делают поддержку механизмов обнаружения и изоляции сбоев практически невозможной.

Для того чтобы в какой-то степени снизить влияние этих факторов, сеть Internet разделили на отдельные автономные системы (Autonomous System). Автономная система (АС) представляет собою группу сетей и маршрутизаторов, управляемую уполномоченным. АС позволяет независимо управлять различными частямиInternet и разрешает маршрутизаторам внутри различных АС использовать разные протоколы маршрутизации. Каждая сеть внутри АС должна быть доступна из Internet.

Маршрутизаторы внутри одной АС взаимодействуют, используя динамические протоколы маршрутизации. Протоколы, управляющие маршрутной информацией внутри АС, относятся к классу так называемых протоколовIGP (Interior Gateway Protocol, внутренний шлюзовой протокол). Главной задачей протоколов класса IGP является поддержание необходимой производительности. Эти протоколы должны немедленно подстраиваться под изменения в сетевойтопологии и находить маршрут с наименьшей стоимостью. Отдельные протоколы класса IGPэто: RIP, NLSP, OSPF, IGRP, EIGRP и IS-IS.

Взаимодействие между маршрутизаторами, принадлежащими к различным АС, требует дополнительного протокола, который называется EGP (Exterior Gateway Protocol, внешний шлюзовой протокол). Так как различные АС управляются совершенно независимо, в протоколе предприняты меры, предотвращающие влияние сбоев в других АС. Необходимо учитывать, что для связи с маршрутизаторами внутри АС корневой маршрутизатор (см. ниже), кроме поддержки EGP, должен также поддерживать протоколы класса IGP, так как всю информацию о своей АС протокол EGP получает через IGP.