Протоколы Internet
Протоколы маршрутизации (обзор, таблицы маршрутизации, вектор расстояния)
4.4.11 Протоколы маршрутизации (обзор, таблицы маршрутизации, вектор расстояния)
Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ)
Основная задача сетей - транспортировка информации от ЭВМ-отправителя к ЭВМ-получателю. В большинстве случаев для этого нужно совершить несколько пересылок. Проблему выбора пути решают алгоритмы маршрутизации. Если транспортировка данных осуществляется дейтограммами, для каждой из них эта задача решается независимо. При использовании виртуальных каналов выбор пути выполняется на этапе формирования этого канала. В Интернет с его IP-дейтограммами реализуется первый вариант, а в ISDN - второй.
Алгоритм маршрутизации должен обладать вполне определенными свойствами: надежностью, корректностью, стабильностью, простотой и оптимальностью. Последнее свойство не так прозрачно, как это может показаться на первый взгляд, все зависит от того, по какому или каким параметрам производится оптимизация. Эта задача иногда совсем не проста даже для сравнительно простых локальных сетей (смотри, например, рис. 4.4.11.1). Предположим, что поток данных между ЭВМ b и d, соединенных через концентратор (К) весьма высок, что окажет ощутимое влияние на скорость обмена между ЭВМ А и С. Но этот факт довольно трудно выявить, находясь в ЭВМ А или С. Внешне это проявится лишь как повышенная задержка и пониженная пропускная способность участка А-С.
Рис. 4.4.11.1
Среди параметров оптимизации может быть минимальная задержка доставки, максимальная пропускная способность, минимальная цена, максимальная надежность или минимальная вероятность ошибки.
Алгоритмы маршрутизации бывают адаптивными и неадаптивными. Вторые, осуществляя выбор маршрута, не принимают во внимание существующую в данный момент топологию или загрузку каналов. Такие алгоритмы называются также статическими. Адаптивные же алгоритмы предполагают периодическое измерение характеристик каналов и постоянное исследование топологии маршрутов. Выбор того или иного маршрута здесь производится на основании этих измерений.
Практически все методы маршрутизации базируются на следующем утверждении (принцип оптимальности). Если маршрутизатор M находится на оптимальном пути от маршрутизатора I к маршрутизатору J, тогда оптимальный путь от М к J проходит по этому пути. Чтобы убедиться в этом обозначим маршрут I-M R1, а m-j - R2. Если существует маршрут оптимальнее, чем R2, то он должен быть объединен с R1, чтобы образовать более оптимальный путь I-J, что противоречит исходному утверждению об оптимальности пути J-J. Следствием принципа оптимальности является утверждение, что оптимальные маршруты от всех отправителей к общему месту назначения образуют дерево, лишенное циклов (см. разделы "Протокол ospf" и "Элементы теории графов"). Такое дерево (называется sink tree) может быть не единственным, могут существовать другие деревья с теми же длинами пути. А это, в свою очередь означает, что любой пакет будет доставлен за строго ограниченное время, пройдя однократно определенное число маршрутизаторов
Главным параметром при маршрутизации пакета в Интернет является ip-адрес его места назначения. Проблема оптимальной маршрутизации в современном Интернет, насчитывающем уже более десяти миллионов узлов, весьма сложна. Полная таблица маршрутов может содержать 107! записей (здесь ! означает знак факториала, а не выражение эмоций), что не по плечу не только сегодняшним ЭВМ.
Обычный пользователь не задумывается и не должен задумываться над проблемами маршрутизации, но даже ему иногда может оказаться полезным понимать, что возможно, а что невозможно в Интернет. Нужно только четко разделять работу протоколов маршрутизации, которые формируют маршрутные таблицы, и процесс маршрутизации пакетов, когда эти таблицы используются.
IP делит все ЭВМ на маршрутизаторы и обычные ЭВМ (host), последние, как правило, не рассылают свои маршрутные таблицы. Предполагается, что маршрутизатор владеет исчерпывающей информацией о правильных маршрутах (хотя это и не совсем так). Обычная ЭВМ имеет минимальную маршрутную информацию (например, адрес маршрутизатора локальной сети и сервера имен). Автономная система может содержать множество маршрутизаторов, но взаимодействие с другими as она осуществляет только через один маршрутизатор, называемый пограничным (border gateway, именно он дал название протоколу bgp). Пограничный маршрутизатор нужен лишь тогда, когда автономная система имеет более одного внешнего канала, в противном случае его функции выполняет порт внешнего подключения (gateway). Если адресат достижим более чем одним путем, маршрутизатор должен сделать выбор, этот выбор осуществляется на основании оценки маршрутов-кандидатов. Обычно каждому сегменту, составляющему маршрут, присваивается некоторая величина - оценка этого сегмента. Каждый протокол маршрутизации использует свою систему оценки маршрутов. Оценка сегмента маршрута называется метрикой. Здесь следует обратить внимание на то, что при выборе маршрута всем сегментам пути должны быть даны сопоставимые значения метрики. Недопустимо, чтобы одни сегменты оценивались числом шагов, а другие - по величине задержки в миллисекундах. В пределах автономной системы это обычно не создает проблем, ведь это зона ответственности одного администратора. Но в региональных сетях, где работает много администраторов, проблема выбора метрики может стать реальной трудностью. Именно по этой причине в таких сетях часто используется вектор расстояния, исключающий субъективность оценок метрики.
Помимо классической схемы маршрутизации по адресу места назначения, часто используется вариант выбора маршрута отправителем (данный вариант получил дальнейшее развитие при введении стандарта IPv6). В этом случае IP-пакет содержит соответствующий код опции и список промежуточных адресов узлов, которые он должен посетить по пути к месту назначения.
Существуют и другие схемы, например, использующие широковещательные методы адресации (flooding), где каждый приходящий пакет посылается по всем имеющимся исходящим каналам, за исключением того, по которому он получен. С тем чтобы исключить беспредельное размножение пакетов в заголовок вводится поле-счетчик числа шагов. В каждом узле содержимое поле уменьшается на единицу. Когда значение поля становится равным нулю, пакет ликвидируется. Исходное значение счетчика определяется размером субсети. Предпринимаются специальные меры против возможного зацикливания пакетов. Существует усовершенствованная версия широковещательной маршрутизации, называемая селективной широковещательной рассылкой. В этом алгоритме рассылка производится не по всем возможным направлениям, а только по тем, которые предположительно ведут в правильную сторону. Широковещательные методы не относятся к широко применимым. Но они используются там, где нужна предельно возможная надежность, например в военных приложениях, когда весьма вероятно повреждение тех или иных каналов. Данные методы могут использоваться лишь при формировании виртуального канала, ведь они всегда обеспечивают наикратчайший путь, так как перебираются все возможности. Если путь записывается в пакете, получатель может выбрать оптимальный проход и уведомить об этом отправителя.
Большинство алгоритмов учитывают топологию связей, а не их качество (пропускную способность, загрузку и пр.). Но существуют подходы к решению проблемы статической маршрутизации, учитывающие как топологию, так и загрузку (flow-based routing). В некоторых сетях потоки между узлами относительно стабильны и предсказуемы. В этом случае появляется возможность вычислить оптимальную схему маршрутов заранее. Здесь на основе теории массового обслуживания производится оценка средней задержки доставки для каждой связи. Топология маршрутов оптимизируется по значению задержки доставки пакета. Исходными данными при расчете считается описание топологии связей, матрица трафика для всех узлов Ti,j (в пакетах в секунду) и матрица пропускных способностей каналов Bi,j в битах в секунду. Задержка t для каждой из связей оценивается по формуле
ti,j = 1/(p*bi,j - ti,j),
где 1/Р - среднее значение ширины пакета в битах, произведение p*bi,j выражается в пакетах в секунду, а t измеряется в мсек. Сформировав матрицу ti,j, можно получить граф кратчайших связей. Так как вычисления производятся не в реальном масштабе времени, особых трудностей здесь не возникает.
Статические протоколы (примером реализации статических протоколов может служить первая версия маршрутизатора Netblazer) предполагают, что любые изменения в маршрутные таблицы вносит администратор сети. Рассмотрим для примера сеть, изображенную на рис. 4.4.11.2.
Рис. 4.4.11.2 Схема для иллюстрации методики составления маршрутных таблиц.
g1, g2, g3 - Маршрутизаторы
Примитивная таблица маршрутизации для приведенного примера может иметь вид (для маршрутизатора g2):
| Сеть-адресат | Маршрут к этой сети |
| 193.0.0.0 | Прямая доставка |
| 193.148.0.0 | Прямая доставка |
| 192.0.0.0 | Через адрес 193.0.0.1 |
| 192.166.0.0 | Через адрес 193.148.0.7 |
Извлечь IP-адрес (ID) места назначения из дейтограммы.
Вычислить IP-адрес сети назначения (IN)
IF INсоответствует какому- либо адресу локальной сети, послать дейтограмму по этому адресу;
else if in присутствует в маршрутной таблице, то послать дейтограмму к серверу, указанному в таблице;
else if описан маршрут по умолчанию, то послать дейтограмму к этому серверу;
else выдать сообщение об ошибке маршрутизации.
Если сеть включает в себя субсети, то для каждой записи в маршрутной таблице производится побитная операция для ID и маски субсети. Если результат этой операции совпадет с содержимым адресного поля сети, дейтограмма посылается серверу субсети. На практике при наличии субсетей в маршрутную таблицу добавляются соответствующие записи с масками и адресами сетей.
Одна из базовых идей маршрутизации заключается в том, чтобы сконцентрировать маршрутную информацию в ограниченном числе (в идеале в одном) узловых маршрутизаторов-диспетчеров. Эта замечательная идея ведет к заметному увеличению числа шагов при пересылке пакетов. Оптимизировать решение позволяет backbone (опорная сеть), к которой подключаются узловые маршрутизаторы. Любая as подключается к backbone через узловой маршрутизатор.
"Прозрачные" backbone не работают с адресами класса С (все объекты такой сети должны иметь один адрес, а для c-класса число объектов слишком ограничено). "Прозрачные" мосты трудно диагностировать, так как они не следуют протоколу ICMP (команда ping не работает, в последнее время такие объекты снабжаются snmp-поддержкой). За то они позволяют перераспределять нагрузку через несколько маршрутизаторов, что невозможно для большинства протоколов.
Рис. 4.4.11.3.
В примере, приведенном на рис. 4.4.11.3, задача маршрутизации достаточно сложна. ЭВМ1,2 и ЭВМ6,1 можно связать многими путями: ЭВМ1,2 – GW1 – ЭВМ6,1; ЭВМ1,2 – GW2 – ЭВМ6,1; ЭВМ1,2 – GW3 – ЭВМ6,1; ЭВМ1,2 – GW4 – ЭВМ6,1; ЭВМ1,2 – GW1 – GW2 – GW3 – ЭВМ6,1; и т.д. Трафик между двумя географически близкими узлами должен направляться кратчайшим путем, вне зависимости от направления глобальных потоков. Так ЭВМ1,2 и ЭВМ1,1 должны соединяться через GW1. Маршрутизация через опорные сети (backbone) требует индивидуального подхода для каждого узла. Администраторы опорных сетей должны согласовывать свои принципы маршрутизации. Ситуация, когда узел не владеет исчерпывающей маршрутной информацией, в сочетании с использованием маршрутов по умолчанию может привести к зацикливанию пакетов. Например, если маршрут по умолчанию в GW1 указывает на GW2, а в GW2 на GW1, то пакет с несуществующим адресом будет циркулировать между gw1 и gw2 пока не истечет ttl (время жизни пакета), полностью блокируя канал. По этой причине желательно иметь полную таблицу маршрутизации, и, если не вынуждают обстоятельства, избегать использования маршрутов по умолчанию.
Рис. 4.4.11.4.
Протоколы маршрутизации отличаются друг от друга тем, где хранится и как формируется маршрутная информация. Оптимальность маршрута достижима лишь при полной информации обо всех возможных маршрутах, но такие данные потребуют слишком большого объема памяти. Полная маршрутная информация доступна для внутренних протоколов при ограниченном объеме сети. Чаще приходится иметь дело с распределенной схемой представления маршрутной информации. Маршрутизатор может быть информирован лишь о состоянии близлежащих каналов и маршрутизаторов.
Динамические протоколы (обычно используются именно они, наиболее известным разработчиком является компания CISCO):
В маршрутизаторе с динамическим протоколом (например, BGP-4) резидентно загруженная программа-драйвер изменяет таблицы маршрутизации на основе информации, полученной от соседних маршрутизаторов. В ЭВМ, работающей под UNIX и выполняющей функции маршрутизатора, эту задачу часто решает резидентная программа gated или routed (демон). Последняя - поддерживает только внутренние протоколы маршрутизации.
Применение динамической маршрутизации не изменяет алгоритм маршрутизации, осуществляемой на IP-уровне. Программа-драйвер при поиске маршрутизатора-адресата по-прежнему просматривает таблицы. Любой маршрутизатор может использовать два протокола маршрутизации одновременно, один для внешних связей, другой - для внутренних.
Любая автономная система (AS, система маршрутизаторов, ЭВМ или сетей, имеющая единую политику маршрутизации) может выбрать свой собственный протокол маршрутизации.
Внутренний протокол маршрутизации IGP (Interior Gateway Protocol) определяет маршруты внутри автономной системы. Наиболее популярный IGP – RIP (Routing Information Protocol, RFC-1058), разработан Фордом, Фулкерсоном и Белманом (фирма XEROX). Существует более новый протокол OSPF (Open Shortest Pass First, RFC-1131, -1245, -1247, -1253). Наиболее старые системы (IGP) используют протокол HELLO. Протокол HELLO поддерживался фирмой DEC, в качестве метрики он использует время, а не число шагов до цели. Для взаимодействия маршрутизаторов используются внешние протоколы (EGP - Exterior Gateway Protocols).
Одной из разновидностей EGP является протокол BGP (Border Gateway Protocol, RFC-1268 [BGP-3], RFC-1467 [BGP-4]).
Протокол IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) разработан компанией CISCO для больших сетей со сложной топологией и сегментами, которые обладают различной полосой пропускания и задержкой. Это внутренний протокол маршрутизации имеет некоторые черты сходства с OSPF.
IGRP использует несколько типов метрики, по одной на каждый вид QOS. Метрика характеризуется 32-разрядным числом. В однородных средах этот вид метрики вырождается в число шагов до цели. Маршрут с минимальным значением метрики является предпочтительным. Актуализация маршрутной информации для этого протокола производится каждые 90 секунд. Если какой-либо маршрут не подтверждает своей работоспособности в течение 270 сек, он считается недоступным. После семи циклов (630 сек) актуализации такой маршрут удаляется из маршрутных таблиц. IGRP аналогично OSPF производит расчет метрики для каждого вида сервиса (TOS) отдельно.
Протокол IDPR (InterDomain Policy Routing Protocol, RFC-1477, -1479) представляет собой разновидность BGP-протокола. Протокол IS-IS (Intermediate System to Intermediate System Protocol, RFC-1195, -1142) является еще одним внутренним протоколом, который используется для маршрутизации CLNP (Connectionless Network Protocol, RFC-1575, -1561, -1526). IS-IS имеет много общего с OSPF. Смотри также бесклассовый протокол маршрутизации CIDR.
Сразу после включения маршрутизатор не имеет информации о возможностях соседних маршрутизаторов. Статичесикие маршрутные таблицы могут храниться в постоянной памяти или загружаться из какого-то сетевого сервера. По этой причине первейшей задачей маршрутизатора является получение маршрутной информации от соседей, а для начала выявление наличия соседей и их адресов. Для этой цели посылается специальный пакет Hello через каждый из своих внешних интерфейсов. В ответ предполагается получить отклик, содержащий идентификационную информацию соответствующего маршрутизатора. Когда два или более маршрутизаторов объединены через локальную сеть, ситуация несколько усложняется. Смотри рис. 4.4.11.5. Маршрутизаторы E, F, G и H подключены непосредственно к локальной сети, некоторые из них имеют связи с другими маршрутизаторами (сети, которые они обслуживают, на рисунке не показаны).
Одним из способов смоделировать локальную сеть - рассматривать маршрутизаторы E, F, G и H, как соединеные непосредственно, введя виртуальный узел сети L (выделен зеленым цветом). На правой части рисунка показан граф такой сети. Возможность прохода из узла F к G обозначена путем FLG. Для протоколов, учитывающих состояние канала, желательно иметь исчерпывающую информацию о нем (загрузка, задержка, пропускная способность, надежность, стоимость и т.д.). Некоторые из перечисленных параметров довольно легко измерить, например, задержку. Для этого вполне пригоден протокол ICMP. К сожалению многие из указанных параметров довольно сильно коррелированы и подвержены флуктуациям. В частности результаты измерения задержки зависят от загрузки канала (вариация времени ожидания в очереди).
Рис. 4.4.11.5. Маршрутизаторы, подключенные к локальной сети
Рассмотрим трафик на пути А-Н. Допустим на основании анализа состояния канал выбран путь через узел Е. В этом случае он может оказаться перегружен, что приведет к большим задаржкам пакетов на пути А-Н. Последующий анализ ситуации может привести к тому, что более оптимальным может оказаться маршрут через узел F. Если будет принято решение переключить трафик на маршрут ACFH, может перегрузиться участок АСF и история повторится. Данный сценарий описывает типичную ситуацию с осцилляциями маршрута. Осцилляции маршрутов не так безобидны, как это может показаться. Маршрутные таблицы в маршрутизаторах актуализуются вдоль пути с заметными задержками и отнюдь не синхронно. Такие осцилляции могут в разы понизить пропускную способность сети, что необходимо учитывать, выбирая параметры протоколов маршрутизации.
К сожалению многие современные протоколы маршрутизации не имеют встроенных средств аутентификации (контроля доступа), что делает их уязвимыми для различных злоупотреблений.
В последнее время все больше людей обзаводятся компактными переносимыми ЭВМ, которые они берут с собой в деловые поездки, и хотели бы использовать в привычном режиме для работы в Интернет. Конечно, можно заставить модем дозвониться до вашего модемного пула в офисе, но это не всегда лучшее решение как по надежности так и по цене. Пользователи с точки зрения их подвижности могут быть разделены на три группы:
- стационарные, работающие всегда на своем постоянном месте в локальной сети
- мигрирующие, меняющие время от времени свое рабочее место в рамках локальной сети или даже переходящие из одной LAN в другую.
- подвижные, перемещающиеся в пространстве и желающие работать в процессе перемещения.
Предполагается, что все эти пользователи имеют свою постоянную приписку к какой-то сети и соответствующий постоянный IP-адрес. (см. RFC-2794 "Mobile IP Network Access Identifier Extension for IPv4. P. Calhoun, C. Perkins. March 2000). На рис. 4.4.11.6 показана схема подключения подвижных пользователей к Интернет. В этой схеме предполагается наличие в каждой области сети Интернет внешнего агента, обеспечивающего доступ к этой зоне подвижных ЭВМ (на рисунке такой агент помечен надписью "чужая LAN"). Доступ может осуществляться через мобильную телефонную сеть. Предполагается также наличие соответствующего агента в "домашней" LAN, куда стационарно приписана данная ЭВМ. Домашний агент отслеживает все перемещения своих пользователей, в том числе и тех, кто подключается к "чужим" LAN.
Рис. 4.4.11.6. Схема подключения к Интернет подвижных объектов
Когда к локальной сети подключается новый пользователь (непосредственно физически или через модем сотовой телефонной сети), он должен там зарегистрироваться. Процедура регистрации включает в себя следующие операции:
- Каждый внешний агент периодически широковещательно рассылает пакет-сообщение, содержащее его IP-адрес. "Вновь прибывшая ЭВМ" может подождать такого сообщения или сама послать широковещательный запрос наличия внешнего агента.
- Мобильный пользователь регистрируется внешним агентом, сообщая ему свой IP- и MAC-адрес, а также некоторые параметры системы безопасности.
- Внешний агент устанавливает связь с LAN постоянной приписки зарегистрированного мобильного пользователя, сообщая необходимую адресную информацию и некоторые параметры аутентификации.
- Домашний агент анализирует параметры аутентификации и, если все в порядке, процедура установления связи будет продолжена.
- Когда внешний агент получает положительный отклик от домашнего агента, он сообщает мобильной ЭВМ, что она зарегистрирована.
Когда пользователь покидает зону обслуживания данной LAN или MAN, регистрация должна быть анулирована, а ЭВМ должна быть автоматически зарегистрирована в новой зоне. Когда посылается пакет мобильному пользователю, "домашняя LAN", получив его, маршрутизирует пакет внешнему агенту, зарегистрировавшему данного пользователя. Этот агент переправит пакет адресату.
Процедуры переадресации выполняются с привлечением технологии IP-туннелей. Домашний агент предлагает отправителю посылать пакеты непосредственно внешнему агенту области, где зарегистрирована подвижная ЭВМ. Существует много вариантов реализации протокола с разным распределением функций между маршрутизаторами и ЭВМ. Существуют схемы и временным выделением резервного IP-адреса подвижному пользователю. Международный стандарт для решения проблемы работы с подвижными пользователями пока не разработан.
В локальных или корпоративных сетях иной раз возникает необходимость разослать некоторую информацию всем остальным ЭВМ-пользователям сети (штормовое предупреждение, изменение курса акций и т.д.). Отправителю достаточно знать адреса всех N заинтересованных пользователей и послать им соответствующее сообщение. Данная схема крайне не эффективна, ведь обычная широковещательная адресация предлагает решение в N раз лучше с точки зрения загрузки сети (посылается одно а не N сообщений). Широковещательная адресация сработает, если в локальной сети нет маршрутизаторов, в противном случае широковещательные адреса МАС-типа заменяются на IP-адреса (что, впрочем, не слишком изящное решение) или применяется мультикастинг адресация. Маршрутизация для мультикастинга представляет собой отдельную задачу. Ведь здесь надо проложить маршрут от отправителя к большому числу получателей. Традиционные методы маршрутизации здесь применимы, но до крайности не эффективны. Здесь для целей выбора маршрута можно с успехом применить алгоритм "расширяющееся дерево" (spanning tree; не имеет циклических структур). Когда на вход маршрутизатора приходит широковещательный пакет, он проверяет, является ли интерфейс, через который он пришел, оптимальным направлением к источнику пакета. Если это так, пакет направляется через все внешние интерфейсы кроме того, через который он пришел. В противном случае пакет игнорируется (так как скорее всего это дубликат). Этот алгоритм называется Reverse Path Forwarding (переадресация в обратном направлении). Пояснение работы алгоритма представлено на рис. 4.4.11.7 (прямоугольниками на рис. обозначены маршрутизаторы). Секция I характеризует топологию сети. Справа показано дерево маршрутов для маршрутизатора I (sink tree). Секция III демонстрирует то, как работает алгоритм Reverse Path Forwarding. Сначала I посылает пакеты маршрутизаторам B, F, H, J и L. Далее посылка пакетов определяется алгоритмом.
Рис. 4.4.11.7. Алгоритм Reverse Path Forwarding
При передаче мультимедиа информации используются принципиально другие протоколы маршрутизации. Здесь путь прокладывается от получателя к отправителю, а не наоборот. Это связано с тем, что там при доставке применяется мультикастинговый метод. Здесь, как правило, один отправитель посылает пакеты многим потребителям. При этом важно, чтобы размножение пакета происходило как можно ближе к кластеру адресатов. Такая стратегия иной раз удлинняет маршрут, но всегда снижает результирующую загрузку сети. Смотри описания протоколов
DVMRP и PIM.
В последнее время конфигурирование сетевого оборудования (маршрутизаторов, DNS и почтовых серверов усложнилось нкастолько, что это стало составлять заметную часть издержек при формировании коммуникационного узла. Заметного упрощенияи удешевления маршрутизаторов можно ожидать при внедрении IPv6. Следующим шагом станет внедрение объектно-ориентированного языка описания маршрутной политики RPSL (Routing Policy Specification Language). Здесь конфигурирование маршрутизатора будет осуществляться на основе описанной маршрутной политики.
Теперь немного подробнее о наиболее популярных протоколах маршрутизации - RIP, OSPF, IGRP и BGP-4. Начнем с внутреннего протокола маршрутизации RIP.
