Подробно_маршрутизация

Маршрутизация

В процессе организации межсетевого взаимодействия важное место занимает маршрутизация сообщений между отдельными подсетями. При этом под маршрутизацией понимается процесс доставки сообщения из одной подсети в другую. Данная задача может решаться различными способами. При этом, чем сложнее рассматриваемая система, чем больше подсетей ее образуют, тем более нетривиальным является решение задачи доставки сообщений. Сетевой компонент, выполняющий маршрутизацию пакетов, называется маршрутизатором (router). Маршрутизатор может быть реализован на базе компьютера с несколькими сетевыми интерфейсами, на котором установлено специальное программное обеспечение. В этом случае говорят о программном маршрутизаторе. В другом случае маршрутизатор может быть выполнен в виде отдельного сетевого устройства. Разумеется, наиболее эффективным решением является использование специальных аппаратных маршрутизаторов. В настоящее время лидером на рынке корпоративных маршрутизаторов является компания Cisco, предлагающая высокопроизводительные и надежные устройства. В небольших сетях (таких как сеть небольшого офиса или домашняя сеть), использование аппаратного маршрутизатора может быть экономически необоснованно.

Системы Windows Server 2003 включают в себя механизмы, позволяющие серверу, находящемуся под ее управлением, выступать в качестве программного маршрутизатора. Эти механизмы реализованы в составе Службы маршрутизации и удаленного доступа

(Routing and Remote Access Service, RRAS). Хотя в архитектуре Windows Server 2003

основной упор делается на стек протоколов TCP/IP, в состав указанной службы также включена поддержка механизмов маршрутизации стека протоколов AppleTalk.

Обзор механизмов маршрутизации

Windows Server 2003

Реализованный в Windows Server 2003 механизм маршрутизации может с успехом использоваться для организации межсетевого взаимодействия в вычислительных сетях любого масштаба (в том числе и для интеграции корпоративной сети в Интернет), а также для организации виртуальных частных сетей (Virtual Private Network, VPN). Рассмотрим функциональные возможности, характерные для службы маршрутизации, реализованной в

Windows Server 2003 здесь .

Многопротокольная маршрутизация для IP и AppleTalk. Необходимо обратить особое внимание на то, что в отличие от предыдущих версий Windows, маршрутизация для IPX-трафика больше не поддерживается.

Статическая и динамическая фильтрация IP-трафика. Фильтры позволяют ограничить сетевой трафик, проходящий через маршрутизатор. Эта мера может быть использована как с целью обеспечения безопасности периметра корпоративной сети, так и с целью повышения производительности сети. Механизмы фильтрации были рассмотрены в главе 14 "Коммуникационные службы".

Маршрутизация вызовом по требованию через коммутируемые соединения с глобальными сетями. Маршрутизатор может устанавливать коммутируемое соединение с другим маршрутизатором в ситуации, когда ему необходимо передать сообщение. Использование данной схемы маршрутизации может сократить расходы предприятия, связанные с арендой коммутируемых каналов связи.

Поддержка стандартных одноадресных протоколов маршрутизации IP. В Windows Server 2003 реализована поддержка протоколов OSPF (Open Shortest Path First) и RIP (Routing Information Protocol) версий 1 и 2. Указанные протоколы используются для построения таблиц одноадресной маршрутизации.

Поддержка агента ретрансляции DHCP (DHCP Relay Agent) для IP. Использование агента ретрансляции позволяет DHCP-серверу обслуживать клиентов, расположенных в различных подсетях.

Службы группового вещания IP. Маршрутизатор под управлением Windows Server 2003 может функционировать в режимах IGMP-маршрутизатора и IGMPпосредника, что позволяет использовать его для пересылки трафика группового вещания (multicast).

Поддержка механизма виртуальных частных сетей (Virtual Private Network, VPN). Маршрутизатор Windows Server 2003 может участвовать в процессе создания виртуальной частной сети при помощи протоколов туннелирования РРТР и L2TP. При этом может быть использована конфигурация "маршрутизатор— маршрутизатор VPN". В этой конфигурации два маршрутизатора обмениваются между собой информацией через открытую сеть посредством защищенного канала, созданного с применением протоколов туннелирования.

Поддержка разнообразных сред передачи данных. Поскольку служба маршрутизации реализована непосредственно в составе Windows Server 2003, она может работать с любым сетевым интерфейсом, поддерживаемым средствами операционной системы, включая 10- и 100-битный Ethernet. Token Ring, Fiber-optic Distributed Data Interface (Распределенный волоконно-оптический интерфейс данных, FDDI), Asynchronous Transfer Mode (Режим асинхронной передачи, ATM), Integrated Services Digital Network (Цифровая сеть с интегрированными службами, ISDN), Frame Relay (Технология передачи фреймов), Х.25 и модемы.

Инструменты управления с графическим интерфейсом. Для управления службой маршрутизации используется оснастка Routing and Remote Access.

Интерфейс командной строки. Для написания сценариев и автоматизации конфигурирования администратор может использовать специальные утилиты командной строки.

Управление через SNMP. Служба маршрутизации Windows Server 2003 включает в себя поддержку протокола SNMP (Simple Network Management Protocol) версии 1,

используемого в качестве средства централизованного управления сетевыми ресурсами.

Принципы маршрутизации сообщений

В межсетевой среде каждая подсеть может быть соединена с произвольным количеством других подсетей посредством маршрутизаторов. Суть процесса маршрутизации сводится к тому, что два хоста, разделенных друг с другом любым произвольным количеством маршрутизаторов (другими словами, находящиеся в разных подсетях), могут взаимодействовать друг с другом. Всю организацию процесса доставки пакета от одного хоста другому берут на себя маршрутизаторы. Рассмотрим основные принципы, лежащие в основе процесса маршрутизации сообщений. Сразу оговоримся, что разговор будет идти, прежде всего, о маршрутизации IP-трафика. Подавляющее большинство сетевых служб Windows Server 2003 функционирует на базе стека протоколов TCP/IP, получившего широкое распространение именно благодаря простоте организации межсетевого взаимодействия (как известно, самое большое объединение сетей — Интернет, тоже основывается на этом стеке протоколов). Тем не менее, заметим, что в своей основе принципы маршрутизации являются общими для большинства стеков

протоколов.

В зависимости от количества вовлеченных получателей стек протоколов TCP/IP поддерживает два способа маршрутизации: одноадресная и многоадресная маршрутизация. Соответственно, мы рассмотрим принципы маршрутизации применительно к каждому из способов в отдельности.

Одноадресная маршрутизация

Под одноадресной маршрутизацией понимается процесс передачи сообщений между подсетями, в котором сообщение адресовано только одному заданному получателю. Вся задача маршрутизации в этом случае сводится к доставке пакета получателю и выбору оптимального маршрута из множества возможных.

Понятие таблицы маршрутизации

Отправителя и получателя может разделять произвольное количество маршрутизаторов. При этом процесс передачи сообщения от одного маршрутизатора другому называется "прыжком" (hop). Каждый маршрутизатор обладает информацией о структуре сети на расстоянии одного прыжка. Другими словами, маршрутизатор не обладает информацией о точном местоположении требуемого хоста. В большой сети, да еще и с интенсивно меняющейся структурой (как, например, Интернет), это было бы невозможно. Вместо этого, маршрутизатор обладает информацией о соседних маршрутизаторах и о том, кому из них необходимо передать сообщение для последующей доставки в той или иной ситуации. Эта информация хранится в специальной таблице, которая носит название таблицы маршрутизации (routing table).

Таблицы маршрутизации используются для принятия решения о том, как именно будет доставлено то или иное сообщение. Наличие этих таблиц не является исключительным свойством маршрутизатора. В сети TCP/IP любой хост (даже не являющийся маршрутизатором) может также располагать таблицей маршрутизации, которая используется с целью определения оптимального маршрута передачи сообщений. Так, скажем, если в подсети имеется три маршрутизатора, хост использует таблицу маршрутизации для того, чтобы выбрать из них наиболее оптимальный для доставки сообщения.

Типы записей в таблице маршрутизации

Записи в таблице маршрутизации называются маршрутами. При этом существует три типа маршрутов.

Маршрут к хосту, или узловой маршрут (Host Route). Этот тип маршрута определяет путь доставки пакета, адресованного хосту с конкретным сетевым адресом. Маршруты к хостам обычно используются для создания настраиваемых маршрутов к определенным компьютерам, а также для управления или оптимизации сетевого трафика.

Маршрут к сети, или сетевой маршрут (Network Route). Данный тип маршрута используется для определения способа доставки пакета в подсеть с определенным адресом. Большую часть содержимого таблицы маршрутизации представляют собой маршруты данного типа.

Маршрут по умолчанию (Default Route). Маршрут по умолчанию используется, когда не найдены никакие другие маршруты в таблице маршрутизации. Маршрут

по умолчанию используется в ситуации, когда в таблице маршрутизации отсутствует соответствующий маршрут по идентификатору сети или маршрут к хосту по адресу получателя. Маршрут по умолчанию упрощает конфигурацию компьютеров. Вместо конфигурирования компьютера и настройки маршрутов для всех идентификаторов сетей в межсетевой среде используется одиночный маршрут по умолчанию для пересылки всех пакетов в сеть получателя или по адресу в межсетевой среде, который не был найден в таблице маршрутизации.

Структура таблицы маршрутизации

Рассмотрим структуру таблицы маршрутизации на следующем примере:

Каждая запись в таблице маршрутизации (представляющая собой информацию о маршруте) состоит из информационных полей, перечисленных ниже.

Сеть назначения (Network Destination). Данное поле содержит сведения об адресе хоста-получателя пакета или сети, в которой этот хост располагается. Принимая решение о маршрутизации пакета, система просматривает именно это поле. Если в данном поле не будет найдено записи о конкретном адресе сети или хоста, маршрутизатором будет использован маршрут по умолчанию.

Маска подсети (Netmask). Это поле в сочетании с предыдущим полем используется для вычисления идентификатора IP-сети.

Шлюз (Gateway). В этом поле указывается адрес, по которому будет должен быть передан согласно данному маршруту. Адрес пересылки может быть аппаратным адресом или адресом в межсетевой среде. В большинстве случаев в этом поле указывается следующий в цепочке маршрутизатор, который должен будет принять решение о дальнейшей маршрутизации сообщения.

Интерфейс (Interface). В этом поле указывается сетевой интерфейс, с которого будет осуществляться передача сообщения согласно данному маршруту. Данное поле необходимо в ситуации, когда маршрутизатор имеет множество сетевых интерфейсов, подключенных к разным подсетям. Фактически данное поле указывает, в какую именно подсеть необходимо передать сообщение.

Метрика (Metric). Стоимость маршрута, характеризующая меру его предпочтения. Из множества альтернативных маршрутов будет выбран тот, что обладает наименьшей стоимостью (т. е. меньшим значением метрики). Некоторые алгоритмы маршрутизации сохраняют только один маршрут для любого идентификатора сети в таблице маршрутизации, даже когда существует несколько маршрутов. В этом случае метрика используется маршрутизатором, чтобы

определить какой именно маршрут необходимо сохранить в таблице маршрутизации.

Методы построения таблиц маршрутизации

В зависимости от способа формирования содержимого таблицы маршрутизации различают два вида маршрутизации.

Статическая маршрутизация. Все маршруты прописываются и изменяются администратором системы вручную. Это самый простой способ организации маршрутизации. Однако он подходит только для небольших сетей, изменения в структуре которых происходят достаточно редко. Кроме того, данный способ маршрутизации не годится в случае, когда важно обеспечить высокую надежность межсетевого взаимодействия. Если один из маршрутов окажется по каким-либо причинам недоступен, администратору необходимо будет вручную изменить таблицу маршрутизации на всех маршрутизаторах в сети. До этого момента межсетевое взаимодействие на отдельных участках сети будет невозможно.

Динамическая маршрутизация. Построение таблицы маршрутизации осуществляется посредством специальных протоколов маршрутизации. Участие администратора в этом процессе минимально и сводится к изначальной конфигурации маршрутизаторов. Два наиболее распространенных протокола IPмаршрутизации, используемых в интрасетях, — протоколы RIP (Routing

Information Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First). Посредством указанных протоколов маршрутизаторы способны информировать друг друга об изменениях в структуре сети. В случае недоступности одного из маршрутов, маршрутизаторы автоматически перестроят свои таблицы маршрутизации и, при возможности, выберут другой маршрут доставки сообщений.

Статическая маршрутизация

Статическая маршрутизируемая IP-сеть не использует протоколы маршрутизации, поскольку вся информация о маршрутизации хранится в статической таблице на каждом маршрутизаторе. Чтобы любые два произвольных хоста в сети могли взаимодействовать между собой, каждый маршрутизатор должен иметь такую таблицу маршрутов. Статическая маршрутизируемая IP-среда лучше всего подходит для небольшой сети с редко изменяющейся структурой, в которой отсутствуют альтернативные маршруты. Статическая маршрутизируемая среда может применяться для:

сети малого предприятия;

сети домашнего офиса;

филиала с одной сетью.

Вместо реализации протокола маршрутизации через узкополосный канал связи, одиночный маршрут по умолчанию на маршрутизаторе филиала гарантирует, что весь трафик, не предназначенный для компьютера в сети филиала, будет направлен в основной офис.

Недостатки статической маршрутизации:

Отсутствие отказоустойчивости. Если в силу каких-либо причин один из маршрутизаторов выходит из строя или становится недоступным коммуникационный канал, статический маршрутизатор не сможет как-то

отреагировать на неисправность. Более того, другие маршрутизаторы в сети не будут знать о неисправности и будут продолжать передавать данные по недоступному маршруту. В сетях малого офиса (например, с двумя маршрутизаторами и тремя сетями, соединенными в ЛВС) подобные ситуации могут решаться администратором оперативно. В крупных сетях более предпочтительным оказывается использование специальных протоколов маршрутизации;

Непроизводительные административные затраты. Если добавляется новая подсеть или удаляется из межсетевой среды существующая, маршруты к ней должны быть вручную добавлены или удалены. Если добавляется новый маршрутизатор, то он должен быть правильно сконфигурирован для маршрутизации в межсетевой среде.

Протоколы маршрутизации

Среди существующего многообразия протоколов маршрутизации Windows Server 2003 поддерживает только два:

протокол RIP версии 1 и 2;

протокол OSPF.

Рассмотрим эти протоколы более подробно.

Протокол RIP

Протокол обмена информацией о маршрутизации (Routing Information Protocol, RIP) разрабатывался как механизм, посредством которого маршрутизаторы могут обмениваться информацией об обновлениях таблиц маршрутизации. Этот механизм изначально предполагался для использования в сетях относительно небольшого размера (это верно для RIP версии 1).

Протокол RIP использует следующую схему построения таблицы маршрутизации. Первоначально таблица маршрутизации каждого маршрутизатора включает в себя маршруты только для тех подсетей, что физически подсоединены к маршрутизатору. Используя протокол RIP, маршрутизатор периодически отправляет другим маршрутизаторам объявления, содержащие информацию о содержимом собственной таблицы маршрутизации. RIP версии 1 использует для передачи объявлений широковещательные IP-пакеты. RIP версии 2 позволяет использовать для объявлений также пакеты группового вещания. Каждый маршрутизатор рассылает подобные объявления периодически с интервалом в 30 секунд.

Маршрутизаторы, использующие протокол RIP, могут также сообщать информацию о маршрутизации при помощи триггерных обновлений. Триггер-ные обновления инициируются, когда происходит изменение топологии сети и посылается обновленная информация о маршрутизации, которая отражает эти изменения. Триггерные обновления происходят немедленно, следовательно, информация о маршрутизации обновится раньше, чем произойдет следующее периодическое объявление. Например, когда маршрутизатор обнаруживает установление соединения или отказ соседнего маршрутизатора, он модифицирует собственную таблицу маршрутизации и рассылает обновленные маршруты. Каждый маршрутизатор, получающий триггерное обновление, изменяет собственную таблицу маршрутизации и распространяет изменение.

Основное преимущество R1P заключается в простоте развертывания и конфигурирования. В качестве недостатка RIP версии 1 можно отметить наличие жесткого ограничения на размер сети. Протокол R1P может быть использован в сети, в которой два хоста разделены

не более чем 15 маршрутизаторами. Другими словами, маршрутизатор, использующий протокол RIP для построения таблицы маршрутизации, "знает" только о тех подсетях, что расположены на расстоянии не более 15 переходов. Подсети, расположенные на расстоянии 16 или более пересылок, считаются недостижимыми.

Поскольку глобальные IP-сети становятся все больше и больше, периодические RIPобъявления каждого маршрутизатора могут вызывать чрезмерный трафик. В качестве другого недостатка протокола RIP можно отметить высокое время восстановления. В ситуации, когда в структуре сети происходят изменения, может пройти несколько минут прежде, чем все корпоративные маршрутизаторы получат информацию о произошедшем изменении и переконфигурируют собственные таблицы маршрутизации. За то время как происходит реконфигурирование маршрутизаторов, могут образоваться циклы маршрутизации, приводящие к потере или невозможности доставки данных. В условиях повышенных требований к надежности канала данных существующих возможностей протокола RIP может быть недостаточно.

Службы маршрутизации и удаленного доступа Windows Server 2003 могут работать с протоколом RIP версий 1 и 2. RIP версии 2 поддерживает объявления, рассылаемые при помощи групповых рассылок, простую аутентификацию при помощи пароля, а также дает возможность гибкой настройки при работе в средах с подсетями и в CIDR-средах (Classless InterDomain Routing, Бесклассовая междоменная маршрутизация).

Реализация протокола RIP в Windows Server 2003 характеризуется следующими функциональными возможностями:

выбор версии R1P, которая будет выполняться на каждом интерфейсе для входящих и исходящих пакетов;

алгоритмы "split horizon", "poison reverse" и триггерных обновлений, которые используются для корректного отображения изменений топологии сети;

фильтры маршрутов для выбора тех сетей, которые необходимо объявлять или принимать от них обновления;

фильтры источников для выбора маршрутизаторов, от которых будут приниматься объявления;

конфигурируемые объявления и таймеры старения маршрута;

поддержка простого удостоверения подлинности при помощи пароля;

возможность отключения суммирования подсетей.

Использование в сети протокола маршрутизации RIP оправданно в случае небольшой сети с динамически меняющейся структурой, имеющей несколько возможных маршрутов. Маршрутизируемая среда на базе протокола RIP может потребоваться для:

предприятия среднего размера;

большого офиса филиала или дополнительного офиса со множественными сетями.

Протокол OSPF

Протокол OSPF (Open Shortest Path First) разрабатывался как механизм, посредством которого маршрутизаторы могут обмениваться информацией о содержимом таблиц маршрутизации в большой межсетевой среде. Протокол OSPF является протоколом маршрутизации с объявлением состояния канала связи. В основе функционирования протокола OSPF лежит алгоритм "первоочередного обнаружения кратчайшего пути" (Shortest Path First, SPF), который используется для вычисления маршрутов в таблице маршрутизации. Используя алгоритм SPF, маршрутизатор вычисляет кратчайший (т. е. обладающий наименьшей стоимостью) путь ко всем подсетям в межсетевой среде. В

маршрутах, рассчитанных при помощи алгоритма SPF, всегда отсутствуют циклы.

В отличие от протокола RIP, протокол OSPF поддерживает "карту" корпоративной сети. Эта карта модифицируется каждый раз, когда происходит какое-либо изменение в структуре сети. Эта карта, называемая базой данных состоянии связей (link state database), синхронизирована для всех OSPF-маршрутизаторов и используется, чтобы вычислить маршруты в таблице маршрутизации. Изменения в структуре сети приводят к немедленному распространению сведений об этих изменениях на все маршрутизаторы, которые, в свою очередь, обновляют собственный экземпляр базы данных состояния связей. Обновление базы данных состояний связей приводит к повторному пересчету таблицы маршрутизации.

Начиная свою работу, каждый маршрутизатор извещает другие маршрутизаторы о своем существовании, отправляя специальное сообщение во все доступные подсети. Другие маршрутизаторы получают это сообщение и обновляют свой экземпляр базы данных о состоянии связей. Фактически указанная база данных и формируется на основании этих сообщений.

Поскольку размер базы данных состояний связей растет, требования к объему памяти и время на вычисление маршрута увеличиваются. Чтобы решить эту проблему, OSPF рассматривает межсетевую среду как совокупность областей (под областью в данном случае понимается совокупность непрерывных сетей), соединенных друг с другом через некоторую базовую область (backbone area). Все маршрутизаторы, принадлежащие к одной области, обладают идентичными репликами базы данных состояния связей.

С целью идентификации областей каждой из них выделяется специальный идентификатор (area ID), представляющий собой 32-разрядное число. Этот идентификатор записывается так же как и IP-адрес — в десятично-точечном формате (т. е. в виде четырех однобайтовых чисел, разделенных точками). Идентификатор области никак не связан с IPадресацией. Администратор может присваивать идентификаторы областям по своему усмотрению, не оглядываясь на используемые в сети IP-адреса. При этом одна область OSPF может включать в свой состав неограниченное количество подсетей (размер области ограничивается исключительно размером базы данных состояния связей).

Каждый маршрутизатор хранит базу данных состояний связей только для тех областей, которые подсоединены к маршрутизатору непосредственно. Маршрутизаторы, соединяющие базовую область с другими областями, называются пограничными маршрутизаторами областей (Area Border Router, ABR). Пограничные маршрутизаторы накапливают изменения, полученные от остальных маршрутизаторов области, и передают их разом маршрутизаторам, расположенным в других областях.

На рис. 1 показан пример разделения сети на области в случае использования протокола

OSPF.

В рамках службы маршрутизации и удаленного доступа Windows Server 2003 реализованы механизмы, позволяющие организовать маршрутизацию трафика протокола AppleTalk. Данный протокол используется в качестве транспортного механизма в сетях, построенных на базе Apple Macintosh. Благодаря наличию механизмов маршрутизации AppleTalkтрафика компьютер, находящийся под управлением операционной системы Windows Server 2003, может выступать в качестве программного маршрутизатора в среде AppleTalk. Возможности маршрутизации AppleTalk-трафика включают в себя поддержку протокола маршрутизации Routing Table Maintenance Protocol (RTMP).

Примечание

Поддержка протокола AppleTalk реализована в Windows Server 2003 с целью предоставления возможности сосуществования двух различных платформ в одной сети. Использовать стек протоколов AppleTalk в других ситуациях (например, как средство организации сетевого взаимодействия Windows-хостов) не рекомендуется. Поддержка маршрутизации AppleTalk-трафика не реализована на 64-разрядных версиях операционных систем семейства Windows Server 2003.

Сценарии развертывания одноадресной маршрутизации

В качестве примера рассмотрим два типичных сценария организации процесса маршрутизации:

простой сценарий маршрутизации;

сценарий с несколькими маршрутизаторами.

Простой сценарий маршрутизации

В самом, простом сценарии две или несколько подсетей могут быть соединены между собой при помощи одного маршрутизатора. Для решения этой задачи вполне можно использовать маршрутизатор на базе Windows Server 2003. На рис. 2 показана простая конфигурация сети с маршрутизатором Windows, соединяющим два сегмента ЛВС (Сети А и В). В данном сценарии используется только один маршрутизатор. Как следствие, отсутствует проблема обмена информацией о маршрутах между маршрутизаторами. Поэтому не требуется развертывание протоколов маршрутизации.

Рис. 2. Простой сценарий маршрутизации

Сценарий с несколькими маршрутизаторами