Динамическая маршрутизация
Прежде чем вникать в подробности и особенности динамической маршрутизации обратим внимание на двухуровневую модель, в рамках которой рассматривается все множество машин Internet. В рамках этой модели весь Internet рассматривают как множество автономных систем (autonomous system - AS). Автономная система - это множество компьютеров, которые образуют довольно плотное сообщество, где существует множество маршрутов между двумя компьютерами, принадлежащими этому сообществу. В рамках этого сообщества можно говорить об оптимизации маршрутов с целью достижения максимальной скорости передачи информации. В противоположность этому плотному конгломерату, автономные системы связаны между собой не так тесно как компьютеры внутри автономной системы. При этом и выбор маршрута из одной автономной системы может основываться не на скорости обмена информацией, а надежности, безотказности и т.п.
Сама идеология автономных систем возникла в тот период, когда ARPANET представляла иерархическую систему. В то время было ядро системы, к которому подключались внешние автономные системы. Информация из одной автономной системы в другую могла попасть только через маршрутизаторы ядра. Такая структура до сих пор сохраняется в MILNET.
На рисунке 1 автономные системы связаны только одной линией связи, что больше соответствует тому, как российский сектор подключен к Internet. В классических публикациях по Internet взаимодействие автономных частей чаще обозначают пересекающимися кругами, подчеркивая тот факт, что маршрутов из одной автономной системы в другую может быть несколько.
Обсуждение этой модели Internet необходимо только для того, чтобы объяснить наличие двух типов протоколов динамической маршрутизации: внешних и внутренних.
Внешние протоколы служат для обмена информацией о маршрутах между автономными системами.
Внутренние протоколы служат для обмена информацией о маршрутах внутри автономной системы.
В реальной практике построения локальных сетей, корпоративных сетей и их подключения к провайдерам нужно знать, главным образом, только внутренние протоколы динамической маршрутизации. Внешние протоколы динамической маршрутизации необходимы только тогда, когда следует построить закрытую большую систему, которая с внешним миром будет соединена только небольшим числом защищенных каналов данных.
К внешним протоколам относятся Exterior Gateway Protocol (EGP) и <="" i="">.
EGP предназначен для анонсирования сетей, которые доступны для автономных систем за пределами данной автономной системы. По данному протоколу шлюз одной AS передает шлюзу другой AS информацию о сетях из которых состоит его AS. EGP не используется для оптимизации маршрутов. Считается, что этим должны заниматься протоколы внутренней маршрутизации.
BGP - это другой протокол внешней маршрутизации, который появился позже EGP. В своих сообщениях он уже позволяет указать различные веса для маршрутов, и, таким образом, способствовать выбору наилучшего маршрута. Однако, назначение этих весов не определяется какими-то независимыми факторами типа времени доступа к ресурсу или числом шлюзов на пути к ресурсу. Предпочтения устанавливаются администратором и потому иногда такую маршрутизацию называют политической маршрутизацией, подразумевая, что она отражает техническую политику администрации данной автономной системы при доступе из других автономных систем к ее информационным ресурсам. Протокол BGP используют практически все российские крупные IP-провайдеры, например крупные узлы сети Relcom.
К внутренним протоколам относятся протоколы Routing Information Protocol (RIP), HELLO, Intermediate System to Intermediate System (ISIS), Shortest Path First (SPF) и Open Shortest Path First (OSPF). Протокол RIP (Routing Information Protocol) предназначен для автоматического обновления таблицы маршрутов. При этом используется информация о состоянии сети, которая рассылается маршрутизаторами (routers). В соответствии с протоколом RIP любая машина может быть маршрутизатором. При этом, все маршрутизаторы делятся на активные и пассивные. Активные маршрутизаторы сообщают о маршрутах, которые они поддерживают в сети. Пассивные маршрутизаторы читают эти широковещательные сообщения и исправляют свои таблицы маршрутов, но сами при этом информации в сеть не предоставляют. Обычно в качестве активных маршрутизаторов выступают шлюзы, а в качестве пассивных - обычные машины (hosts).
В основу алгоритма маршрутизации по протоколу RIP положена простая идея: чем больше шлюзов надо пройти пакету, тем больше времени требуется для прохождения маршрута. При обмене сообщениями маршрутизаторы сообщают в сеть IP-номер сети и число "прыжков" (hops), которое надо совершить, пользуясь данным маршрутом. Надо сразу заметить, что такой алгоритм справедлив только для сетей, которые имеют одинаковую скорость передачи по любому сегменту сети. Часто в реальной жизни оказывается, что гораздо выгоднее воспользоваться оптоволокном с 3-мя шлюзами, чем одним медленным коммутируемым телефонным каналом.
Другая идея, которая призвана решить проблемы RIP, - это учет не числа hop'ов, а учет времени отклика. На этом принципе построен, например, протокол OSPF. Кроме этого OSPF реализует еще и идею лавинной маршрутизации. В RIP каждый маршрутизатор обменивается информацией только с соседями. В результате, информации о потере маршрута в сети, отстоящей на несколько hop'ов от локальной сети, будет получена с опозданием. Лавинная маршрутизация позволяет решить эту проблему за счет оповещения всех известных шлюзов об изменениях локального участка сети.
К сожалению, многовариантную маршрутизацию поддерживает не очень много систем. Различные клоны Unix и NT, главным образом ориентированы на протокол RIP. Достаточно посмотреть на программное обеспечение динамической маршрутизации, чтобы убедится в этом. Программа routed поддерживает только RIP, программа gated поддерживает RIP, HELLO, OSPF, EGP и BGP, в Windows NT поддерживается только RIP[5].
3 Протокол маршрутизации RIP
Этот протокол (RFC-1388, -1582, -1721, -1722 (std0057), -2453, -1724, -2080, -2082, -2092, -2453) маршрутизации предназначен для сравнительно небольших и относительно однородных сетей (алгоритм Белмана-Форда). Протокол разработан в университете Калифорнии (Беркли), базируется на разработках фирмы Ксерокс и реализует те же принципы, что и программа маршрутизации routed, используемая в ОC UNIX (4BSD). Маршрут здесь характеризуется вектором расстояния до места назначения. Предполагается, что каждый маршрутизатор является отправной точкой нескольких маршрутов до сетей, с которыми он связан. Описания этих маршрутов хранится в специальной таблице, называемой маршрутной. Таблица маршрутизации RIP содержит по записи на каждую обслуживаемую машину (на каждый маршрут). Запись должна включать в себя:IP-адрес места назначения. Метрика маршрута (от 1 до 15; число шагов до места назначения). IP-адрес ближайшего маршрутизатора (gateway) по пути к месту назначения. Таймеры маршрута.
Первым двум полям записи мы обязаны появлению термина вектор расстояния (место назначение - направление; метрика - модуль вектора). Периодически (раз в 30 сек) каждый маршрутизатор посылает широковещательно копию своей маршрутной таблицы всем соседям-маршрутизаторам, с которыми связан непосредственно. Маршрутизатор-получатель просматривает таблицу. Если в таблице присутствует новый путь или сообщение о более коротком маршруте, или произошли изменения длин пути, эти изменения фиксируются получателем в своей маршрутной таблице. Протокол RIP должен быть способен обрабатывать три типа ошибок:
Циклические маршруты. Так как в протоколе нет механизмов выявления замкнутых маршрутов, необходимо либо слепо верить партнерам, либо принимать меры для блокировки такой возможности.
Для подавления нестабильностей RIP должен использовать малое значение максимально возможного числа шагов (<16).
Медленное распространение маршрутной информации по сети создает проблемы при динамичном изменении маршрутной ситуации (система не поспевает за изменениями). Малое предельное значение метрики улучшает сходимость, но не устраняет проблему.
Несоответствие маршрутной таблицы реальной ситуации типично не только для RIP, но характерно для всех протоколов, базирующихся на векторе расстояния, где информационные сообщения актуализации несут в себе только пары кодов: адрес места назначение и расстояние до него.
На верхней части рисунка показана ситуация, когда маршрутизаторы указывают маршрут до сети в соответствии со стрелками. На нижней части связь на участке GW1 оборвана, а GW2 по-прежнему продолжает оповещать о ее доступности с числом шагов, равным 2. При этом GW1, восприняв эту информацию (если GW2 успел передать свою маршрутную информацию раньше GW1), может перенаправить пакеты, адресованные сети А, на GW2, а в своей маршрутной таблице будет характеризовать путь до сети А метрикой 3. При этом формируется замкнутая петля маршрутов. Последующая широковещательная передача маршрутных данных GW1 и GW2 не решит эту проблему быстро. Так после очередного обмена путь от gw2 до сети А будет характеризоваться метрикой 5. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока метрика не станет равной 16, а это займет слишком много циклов обмена маршрутной информацией.
Проблема может быть решена следующим образом. Маршрутизатор запоминает, через какой интерфейс получена маршрутная информация, и через этот интерфейс эту информацию уже не передает. В рассмотренном выше примере GW2 не станет посылать информацию о пути к сети А маршрутизатору GW1, от которого он получил эти данные. В этом случае в маршрутной таблице GW1 путь до А исчезнет сразу. Остальные маршрутизаторы узнают о недостижимости сети А через несколько циклов. Существуют и другие пути преодоления медленных переходных процессов. Если производится оповещение о коротком пути, все узлы-получатели воспринимают эти данные немедленно. Если же маршрутизатор закрывает какой-то путь, его отмена фиксируется остальными лишь по тайм-ауту. Универсальным методом исключения ошибок при маршрутизации является использование достаточно большой выдержки, перед тем как использовать информацию об изменении маршрутов. В этом случае к моменту изменения маршрута эта информация станет доступной всем участникам процесса маршрутизации. Но все перечисленные методы и некоторые другие известные алгоритмы, решая одну проблему, часто вносят другие. Многие из этих методов могут при определенных условиях вызвать лавину широковещательных сообщений, что также дезорганизует сеть. Именно малая скорость установления маршрутов в RIP (и других протоколах, ориентированных на вектор расстояния) и является причиной их постепенного вытеснения другими протоколами.
Но даже усовершенствование, изложенное выше, не всегда срабатывает. На рис.3 приведен пример, когда переходной процесс, несмотря на усовершенствование будет идти долго. При обрыве связи В-Г узлы А и Б сообщают узлу В, что они потеряли связь с узлом Г. Узел В делает вывод, что Г не достижим, о чем и сообщает узлам А и Б. К сожалению А знает, что Б имеет проход к Г длиной 2, из чего он делает вывод о достижимости Г за три шага. Аналогично рассуждает Б о возможности достижимости Г через А. Далее при последующих рассылках метрика доступности Г, характеризуется все большими значениями, до тех пор пока не станет равной "бесконечности".
В RIP сообщения инкапсулируются в udp-дейтограммы, при этом передача осуществляется через порт 520. В качестве метрики RIP использует число шагов до цели. Если между отправителем и приемником расположено три маршрутизатора (gateway), считается, что между ними 4 шага. Такой вид метрики не учитывает различий в пропускной способности или загруженности отдельных сегментов сети. Применение вектора расстояния не может гарантировать оптимальность выбора маршрута, ведь, например, два шага по сегментам сети ethernet обеспечат большую пропускную способность, чем один шаг через последовательный канал на основе интерфейса RS-232.
Маршрут по умолчанию имеет адрес 0.0.0.0 (это верно и для других протоколов маршрутизации). Каждому маршруту ставится в соответствие таймер тайм-аута и "сборщика мусора". Тайм-аут-таймер сбрасывается каждый раз, когда маршрут инициализируется или корректируется. Если со времени последней коррекции прошло 3 минуты или получено сообщение о том, что вектор расстояния равен 16, маршрут считается закрытым. Но запись о нем не стирается, пока не истечет время "уборки мусора" (2мин). При появлении эквивалентного маршрута переключения на него не происходит, таким образом, блокируется возможность осцилляции между двумя или более равноценными маршрутами.
Поле версия для RIP равно 1 (для RIP-2 двум). Поле набор протоколов сети i определяет набор протоколов, которые используются в соответствующей сети (для Интернет это поле имеет значение 2). Поле расстояние до сети i содержит целое число шагов (от 1 до 15) до данной сети. В одном сообщении может присутствовать информация о 25 маршрутах. При реализации RIP можно выделить следующие режимы:
Инициализация, определение всех "живых" интерфейсов путем посылки запросов, получение таблиц маршрутизации от других маршрутизаторов. Часто используются широковещательные запросы.
Получен запрос. В зависимости от типа запроса высылается адресату полная таблица маршрутизации, или проводится индивидуальная обработка.
Получен отклик. Проводится коррекция таблицы маршрутизации (удаление, исправление, добавление)[6].