Маршрутизация. Понятие маршрут.
Маршрутизация (англ. Routing) — процесс определения маршрута следования информации в сетях связи.
Маршруты могут задаваться административно (статические маршруты), либо вычисляться с помощью алгоритмов маршрутизации, базируясь на информации о топологии и состоянии сети, полученной с помощью протоколов маршрутизации (динамические маршруты).
Статическими маршрутами могут быть:
маршруты, не изменяющиеся во времени;
маршруты, изменяющиеся по расписанию;
Маршрутизируемые протоколы определяют формат пакетов (заголовков), важнейшей информацией из которых для маршрутизации является адрес назначения. Протоколы, не поддерживающие маршрутизацию, могут передаваться между сетями с помощью туннелей. Подобные возможности обычно предоставляют программные маршрутизаторы и некоторые модели аппаратных маршрутизаторов.
Аппаратная маршрутизация
Выделяют два типа аппаратной маршрутизации: со статическими шаблонами потоков и с динамически адаптируемыми таблицами.
Основная статья: коммутация IP-пакетов
Статические шаблоны потоков подразумевают разделение всех входящих в маршрутизатор IP-пакетов на виртуальные потоки; каждый поток характеризуется набором признаков для пакета такие как: IP-адресами отправителя/получателя, TCP/UDP-порт отправителя/получателя (в случае поддержки маршрутизации на основании информации 4 уровня), порт, через который пришёл пакет.
Программная маршрутизация выполняется либо специализированным ПО маршрутизаторов (в случае, когда аппаратные методы не могут быть использованы, например, в случае организации туннелей), либо программным обеспечением на компьютере.
Формирование плана адресов для локальной сети с использованием маршрутизаторов (на примере).
Структура таблицы маршрутизации. Понятие метрики маршрута.
Таблица маршрутизации — электронная таблица (файл) или база данных, хранящаяся на маршрутизаторе или сетевом компьютере, описывающая соответствие между адресами назначения и интерфейсами, через которые следует отправить пакет данных до следующего маршрутизатора. Является простейшей формой правил маршрутизации.
Таблица маршрутизации обычно содержит:
адрес сети или узла назначения, либо указание, что маршрут является маршрутом по умолчанию
маску сети назначения (для IPv4-сетей маска /32 (255.255.255.255) позволяет указать единичный узел сети)
шлюз, обозначающий адрес маршрутизатора в сети, на который необходимо отправить пакет, следующий до указанного адреса назначения
интерфейс (в зависимости от системы это может быть порядковый номер, GUID или символьное имя устройства)
метрику — числовой показатель, задающий предпочтительность маршрута. Чем меньше число, тем более предпочтителен маршрут (интуитивно представляется какрасстояние).
В таблице может быть один, а в некоторых операционных системах и несколько шлюзов по умолчанию. Такой шлюз используется для сетей для которых нет более конкретных маршрутов в таблице маршрутизации.
Типы записей в таблице маршрутизации:
маршрут до сети
маршрут до компьютера
маршрут по умолчанию
Статическая маршрутизация. Пример сети. Маршрут по умолчанию.
Стати́ческая маршрутиза́ция - вид маршрутизации, при котором маршруты указываются в явном виде при конфигурации маршрутизатора. Вся маршрутизация при этом происходит без участия каких-либо протоколов маршрутизации.
При задании статического маршрута указывается:
Адрес сети (на которую маршрутизируется трафик), маска сети
Адрес шлюза (узла), который отвечает за дальнейшую маршрутизацию (или подключен к маршрутизируемой сети напрямую)
(опционально) метрика (иногда именуется также "ценой") маршрута. При наличии нескольких маршрутов на одну и ту же сеть некоторые маршрутизаторы выбирают маршрут с минимальной метрикой
Одношаговая маршрутизация обладает еще одним преимуществом — она позволяет сократить объем таблиц маршрутизации в конечных узлах и маршрутизаторах за счет использования в качестве номера сети назначения так называемого маршрута по умолчанию — default, который обычно занимает в таблице маршрутизации последнюю строку. Если в таблице маршрутизации есть такая запись, то все пакеты с номерами сетей, которые отсутствуют в таблице маршрутизации, передаются маршрутизатору, указанному в строке default. Поэтому маршрутизаторы часто хранят в своих таблицах ограниченную информацию о сетях интерсети, пересылая пакеты для остальных сетей в порт и маршрутизатор, используемые по умолчанию. Подразумевается, что маршрутизатор, используемый по умолчанию, передаст пакет на магистральную сеть, а маршрутизаторы, подключенные к магистрали, имеют полную информацию о составе интерсети.
Статическая маршрутизация имеет несколько полезных применений, которые связаны с привлечением специальных знаний администратора сети о сетевой топологии. Одним из таких применений является защита в сети. Динамическая маршрутизация раскрывает все, что известно о сети. Однако по причинам безопасности может понадобиться скрыть некоторые части сети. Статическая маршрутизация позволяет администратору сетевого комплекса задавать те сведения, которые могут сообщаться о закрытых частях сети.
5) Динамическая маршрутизация, решаемые задачи. Административное расстояние.
Динамическая маршрутизация — вид маршрутизации, при котором таблица маршрутизации редактируется программно. В случае UNIX-системдемонами маршрутизации; в других системах — служебными программами, которые называются иначе, но фактически играют ту же роль.
Демоны маршрутизации обмениваются между собой информацией, которая позволяет им заполнить таблицу маршрутизации наиболее оптимальными маршрутами. Протоколы, с помощью которых производится обмен информацией между демонами, называется протоколами динамической маршрутизации.
Протоколы динамической маршрутизации:
RIP
OSPF
EIGRP
BGP
IS-IS
Динамическая маршрутизация предполагает, что маршрутизатор может сам определять новые пути либо модифицировать информацию о старых. Динамическая маршрутизация использует специальные алгоритмы маршрутизации, наиболее распространенными из которых являются вектор дистанции (distance vector) и состояние канала (link state). В первом случае маршрутизатор использует информацию о структуре сети от соседних маршрутизаторов, из вторых рук. Во втором случае маршрутизатор оперирует информацией о собственных каналах связи и взаимодействует со специальным представительским маршрутизатором для построения полной карты сети. Если используются разные протоколы маршрутизации, то для выбора маршрута используется административные расстояния, которые назначаются маршрутам операционной системой маршрутизатора. Административное расстояние — это функция, используемая маршрутизаторами для выбора оптимального маршрута при наличии двух и более различных маршрутов до одной цели по различным протоколам маршрутизации. Административное расстояние определяет надежность протокола маршрутизации. Каждому протоколу маршрутизации назначается приоритет надежности (достоверности), от максимального до минимального, указанный с помощью значения административного расстояния.
6)Дистанционно-векторные протоколы. Основы протокола RIP.
дистанционно-векторных алгоритмах (DVA) каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор, компонентами которого являются расстояния (измеренные в той или иной метрике) от данного маршрутизатора до всех известных ему сетей. Пакеты протоколов маршрутизации обычно называют объявлениями о расстояниях, так как с их помощью маршрутизатор объявляет остальным маршрутизатора известные ему сведения о конфигурации сети.
Получив от некоторого соседа вектор расстояний (дистанций) до известных тому сетей, маршрутизатор наращивает компоненты вектора на величину расстояния от себя до данного соседа. Кроме того, он дополняет вектор информацией об известных ему самому других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов. Обновленное значение вектора маршрутизатор рассылает своим соседям. В конце концов, каждый маршрутизатор узнает через соседние маршрутизаторы информацию обо всех имеющихся в составной сети сетях и о расстояниях до них.
Затем он выбирает из нескольких альтернативных маршрутов к каждой сети тот маршрут, который обладает наименьшим значением метрики. Маршрутизатор, передавший информацию о данном маршруте, отмечается в таблице маршрутизации как следующий (next hop).
Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В больших сетях они периодически засоряют линии связи интенсивным трафиком, к тому же изменения конфигурации не всегда корректно могут отрабатываться алгоритмом этого типа, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологиисвязей в сети, а располагают только косвенной информацией — вектором расстояний.
Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP.
Протокол маршрутной информации (англ. Routing Information Protocol) — один из самых простых протоколов маршрутизации. Применяется в небольшихкомпьютерных сетях, позволяет маршрутизаторам динамически обновлять маршрутную информацию (направление и дальность в хопах), получая ее от соседних маршрутизаторов. RIP — так называемый протокол дистанционно-векторной маршрутизации, который оперирует хопами (ретрансляционными "скачками") в качестве метрики маршрутизации. Максимальное количество хопов, разрешенное в RIP — 15 (метрика 16 означает «бесконечно большую метрику»). Каждый RIP-маршрутизатор по умолчанию вещает в сеть свою полную таблицу маршрутизации раз в 30 секунд, довольно сильно нагружая низкоскоростные линии связи. RIP работает на прикладном уровне стека TCP/IP, используя UDP порт 520.
В современных сетевых средах RIP — не самое лучшее решение для выбора в качестве протокола маршрутизации, так как его возможности уступают более современным протоколам, таким как EIGRP, OSPF. Ограничение на 15 хопов не дает применять его в больших сетях. Преимущество этого протокола — простота конфигурирования.
Аутентификация
При включенной аутентификации производится обработка только тех сообщений, которые содержат правильный аутентификационный код. Это используется для повышения безопасности передачи RIP пакетов. Есть возможность шифровать аутентификационный код с помощью MD5.
7) Алгоритм работы протокола RIP. Восстановление после нарушений связи.
8)Цикл маршрутов, методы борьбы.
9)Суммирование маршрутов.
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.
Сразу после включения маршрутизатор рассылает широковещательно пакеты, содержащие его таблицу маршрутизации, в которой будут находиться только маршруты в подключенные сети. При этом для каждой записи он будет указывать метрику 1. То же самое делают и его соседи. Кроме того, он прослушивает сеть на предмет появления таких же сообщений от других маршрутизаторов и анализирует их. Если в сообщении встречается маршрут в неизвестную до этого сеть, маршрутизатор добавляет ее в собственную таблицу маршрутизации. Если в сообщении встречается маршрут в уже известную сеть, и его метрика меньше метрики уже имеющегося маршрута - он заменяет запись в своей таблице на новую. Если метрика больше - считается, что этот маршрут хуже и добавлять его не стоит. ) Поэтому он просто проигнорирует такую запись. После того, как пройдет 30 секунд после первого обновления, маршрутизаторы повторяют эту процедуру снова, рассылая свои таблицы маршрутизации широковещательно. При этом стоит заметить, что полученные от соседей маршруты в подключенные к ним сети они будут рассылать уже с метрикой, большей на единицу, то есть равной двум. Это будет продолжаться, пока все маршрутизаторы в сети не будут иметь маршруты во все известные сети. Время, которое будет затрачено на полное построение всех таблиц маршрутизации на всех маршрутизаторах в сети называется временем сходимости сети (convergence), и, с учетом 30-секундного интервала обмена маршрутами, для сети из трех маршрутизаторов, это время будет равно максимум 30 секундам, в случае если все маршрутизаторы просто включили одновременно. Для сети, в которой между двумя максимально удаленными сетями находится 16 маршрутизаторов (предел для RIP) это время составит уже 7 минут. Это также худшее время сходимости при добавлении новой сети. На самом деле таймер обновления может и не быть равен ровно 30 секундам, его даже рекомендуют увеличивать на небольшое случайное число при каждом старте таймера, чтобы в сетях типа Ethernet рассылка обновлений не вызывала коллизий. Нам необходимо не только отслеживать появление новых сетей, но и исчезновение старых. Механизм для этого есть - для каждого маршрута, полученного через протокол RIP, в маршрутизаторе создается отдельный таймер, по истечении которого маршрут удаляется. Это время по-умолчанию установлено в 180 секунд, чтобы не считать маршруты недоступными в случае, если какие-то 1-4 пакета с обновлениями просто потеряются в сети. Но стоит только промоделировать ситуацию с "отвалившейся" сетью на бумаге или на реальном железе, мы увидим, что в классическом варианте RIP она разрешается очень плохо. ) Дело в том, что маршрутизатор, сеть на котором была удалена из таблицы маршрутизации, тут же получит ее от соседа, хотя и с большей метрикой. И завернет весь траффик в нее - на соседа, и тут же образуется маршрутная петля. В течение 180 секунд, пока его сосед будет считать этот маршрут еще действительным, он будет пересылать пакеты в нее нашему роутеру, а он будет отсылать их обратно соседу - ведь маршрут в эту сеть он получил именно от него! ). Но дальше ситуация становится еще более печальной. Как только маршрут удалится из таблицы второго маршрутизатора, он снова появится там с метрикой, выросшей на единицу - так как получит его сразу от соседей, образовав новые маршрутные петли. Ситуация будет развиваться в худшую сторону, образуя петли во всей сети, пока, наконец, метрика маршрута не станет равна 16. Это пометит маршрут как недоступный, и приведет к удалению его из таблицы маршрутизации (конечно, только если этот маршрут добавлен RIP). Таким образом, сеть все-таки сойдется, в самом плохом случае - через 48 минут. Это уже не такое приемлемое время, как 7 минут на "холодный старт" сети, с учетом того что все каналы связи будут заняты пересылкой пакетов в маршрутных петлях, вместо передачи полезных данных. Как раз тот случай, когда в математике все хорошо (сеть сошлась), но на практике неприемлемо (слишком долго сходилась). С целью разрешить проблему сходимости сети для случаев, когда ранее доступные сети становятся недоступными, в RIP было добавлено два механизма.
Цикл маршрутов, методы борьбы
1. Расщепление горизонта. Маршрутизатор анализирует маршруты перед отправкой и не рассылает через свои интерфейсы те маршруты, которые он получил через них же. Иными словами, если сеть отваливается, маршрутизатор не получит от соседа обновление через 180 секунд о маршруте, который он сам же ему отослал и петля образовываться не будет. 2. Отравление маршрутов или poisoned reverse. ) Маршрутизатор использует технику расщепления горизонта, но вместо того чтобы совсем не рассылать маршруты, полученные от соседей, им же - рассылает их с метрикой 16, сразу сообщая им о недоступности сети.
Суммирование маршрутов:
Существует интересный прием суммирования маршрутов с помощью более коротких масок, применимый во многих сетевых протоколах. К примеру, у нас имеется две сети, подключенные к одному маршрутизатору. Первая имеет адрес 192.168.1.0/25, а вторая - 192.168.1.128/25. Данные сети можно легко объединить в общую 192.168.1.0/24 и передать информацию о ней вышестоящему маршрутизатору. В итоге поиск маршрута будет происходить быстрее, а трафика по каналам передаваться в два раза меньше.
Если же имеются две сети, скажем, с маской /26, которые не перекрывают друг друга полностью, то суммировать маршрут нельзя. Возможен случай, когда остаточная подсеть находится совсем в другом месте, однако маршрутизатор не будет знать об этом.
10) Протоколы маршрутизации по состоянию канала. Протокол OSPF.
OSPF (англ. Open Shortest Path First) — протокол динамической маршрутизации, основанный на технологии отслеживания состояния канала (link-state technology) и использующий для нахождения кратчайшего пути Алгоритм Дейкстры (Dijkstra’s algorithm).
Протокол OSPF был разработан IETF в 1988 году. Последняя версия протокола представлена в RFC 2328. Протокол OSPF представляет собой протокол внутреннего шлюза (Interior Gateway Protocol — IGP). Протокол OSPF распространяет информацию о доступных маршрутах между маршрутизаторами одной автономной системы.
OSPF имеет следующие преимущества:
Высокая скорость сходимости по сравнению с дистанционно-векторными протоколами маршрутизации;
Поддержка сетевых масок переменной длины (VLSM);
Оптимальное использование пропускной способности (т. к. строится минимальный остовный граф по алгоритму Дейкстры);