Маршрутизация

Сетевой уровень должен вступать во взаимные отношения с различными нижними уровнями. Маршрутизатор должен уметь обрабатывать пакеты, инкапсулированные во фреймы нижних уровней, не меняя адресации третьего уровня для данного пакета. На рис. 1.14 изображен пример такой маршрутизации от одной LAN к другой. В данном случае потоку данных от узла 4 Ethernet-сети 1 требуется найти путь к узлу 5 сети 2.

Анализируя свои таблицы маршрутизации, маршрутизатор обнаруживает, что наилучшим путем к сети 2 является выходной порт То0, который является интер­фейсом локальной сети Token Ring. Хотя при переключении маршрутизатором по­тока с Ethernet-протокола в сети 1 на Token Ring в сети 2 организация фреймов ниж­них уровней меняется, адресация 3-го уровня для отправителя и получателя остается неизменной. На рис. 1.14 адресом получателя остается сеть 2, несмотря на измене­ние инкапсуляции нижних уровней.

Рис. 1.14. Маршрутизация

Операции маршрутизатора

М аршрутизатор обычно передает пакет от одного канала связи к другому. При такой передаче перед маршрутизатором стоят две задачи: определение пути и коммутация. На рис. 1.15 показано, как маршрутизатор использует адресацию для выполнения функций определения пути и коммутации.

Рис. 1.15. Операции, выполняемые маршрутизатором

Выполняя функцию коммутации, маршрутизатор принимает пакет на одном интер­фейсе и направляет его на другой. При определении наилучшего пути маршрутизатор выбирает наиболее подходящий интерфейс для отправки пакета. Узловая часть адреса относится к конкретному порту на маршрутизаторе, который ведет к следующему в дан­ном направлении маршрутизатору.

Когда приложению некоторого узла требуется послать пакет в пункт назначения в дру­гой сети, фрейм канального уровня принимается на одном из интерфейсов маршрутизато­ра. На сетевом уровне исследуется заголовок фрейма для определения сети пункта назначе­ния, а затем маршрутизатор обращается к таблице маршрутизации, которая связывает сети с выходными интерфейсами. После чтения адреса заголовок и трейлер пакета отбрасыва­ются, а сам пакет снова инкапсулируется в канальный фрейм для выбранного интерфейса и ставится в очередь (queue) для доставки к следующему переходу (hop).

Этот процесс повторяется при каждой коммутации с одного маршрутизатора на другой. На маршрутизаторе подсоединенном к сети, в которой находится узел на­значения, пакет инкапсулируется в канальный фрейм типа LAN-получателя и пере­дается на узел пункта назначения.

Сравнение динамической и статической маршрутизации

Статическая маршрутизация (static routing) выполняется вручную. Ее осуществля­ет сетевой администратор, внося изменения в конфигурацию маршрутизатора. Ад­министратор должен изменять эту информацию о маршрутах каждый раз, когда из­меняется сетевая топология. Статическая маршрутизация уменьшает количество пе­редаваемой служебной информации, поскольку в этом случае не посылается информация об изменениях в маршрутном расписании (в случае использования протокола RIP это требуется делать каждые 30 секунд).

Динамическая маршрутизация (dynamic routing) выполняется по-другому. После того, как сетевой администратор введет конфигурационные команды для начала ди­намической маршрутизации, маршрутная обстановка изменяется автоматически при каждом получении из сети информации об изменениях в ее топологии. При этом обмен информацией между маршрутизаторами об изменениях в топологии се­ти является частью процессов изменения сети.

Статическая маршрутизация имеет несколько преимуществ. Она позволяет сетевому администратору указать, какая служебная информация будет передаваться по сети. По со­ображениям безопасности администратор может спрятать некоторые части сети. Динами­ческая маршрутизация имеет тенденцию к полной открытости всей информации о сети.

Кроме того, в случаях, когда к сети ведет только один путь, статический маршрут может оказаться вполне достаточным. Такой тип сети называется тупиковой сетью (stub network). Задание статической маршрутизации в тупиковой сети позволяет ис­ключить пересылку служебной информации, которая производится при динамиче­ской маршрутизации.

Пример стандартного маршрута по умолчанию

На рис. 1.16 показан пример стандартного маршрута по умолчанию (default route), т.е. маршрута, который используется для того, чтобы направить дальше фреймы, для которых в маршрутной таблице нет явного адреса следующего перехода. В этом при­мере маршрутизаторы компании X знают топологию сети своей компании, но не име­ют таких знаний о других сетях. Поддержка информации обо всех сетях, доступных с помощью Internet-среды не нужно и неразумно, а чаще всего и просто невозможно.

Рис. 1.16. Стандартный маршрут

Часто смешиваются понятия маршрутизируемого (routed protocol) протокола и про­токола маршрутизации (routing protocol).

• Маршрутизируемый протокол — это любой сетевой протокол, который в своем адресе сетевого уровня содержит достаточно информации для того, чтобы на­править пакет от узла к узлу, опираясь на схему адресации. Маршрутизируемый протокол определяет формат и характер использования полей внутри пакета. При этом пакет обычно направляется от одной конечной системы к другой. Примером маршрутного протокола является IP.

• Протокол маршрутизации — это протокол, который поддерживает маршрутизи­руемый протокол, предоставляя ему механизмы совместного использования ин­формации по маршрутизации. Сообщения маршрутизирующих протоколов пере­мещаются между маршрутизаторами. Маршрутизирующий протокол позволяет маршрутизаторам обмениваться информацией друг с другом с целью поддержки таблиц маршрутизации и внесения в них изменений. Примерами протоколов маршрутизации типа TCP/IP являются протоколы: Routing Information Protocol (RIP), Interior Gateway Protocol (IGRP), Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (Enhanced IGRP) и Open Shortest Path First (OSPF).

Протоколы маршрутизации

Эффективность динамической маршрутизации зависит от выполнения маршру­тизатором двух своих основных функций.

• Поддержка таблицы маршрутизации.

• Своевременное распределение информации о состоянии (топологии) сети меж­ду другими пользователями в форме сообщений об изменении маршрутизации.

В процессе обмена информацией о топологии сети динамическая маршрутизация опирается на протокол маршрутизации, который, представляет собой набор правил, используемых маршрутизатором при обмене информацией с соседними маршрути­заторами. Например, протокол маршрутизации описывает:

• как рассылаются сообщения об изменениях в сети;

• какая информация о топологии сети содержится в этих изменениях;

• как часто рассылается информация о состоянии сети;

• как определить месторасположение получателей сообщений об изменениях в сети.

Внешние протоколы маршрутизации используются для обмена информацией между автономными системами. Внутренние протоколы маршрутизации использу­ются внутри отдельных автономных систем.

IP-протоколы маршрутизации

На сетевом уровне (3-й уровень) эталонной модели OSI маршрутизатор может ис­пользовать протоколы маршрутизации для выполнения маршрутизации с использовани­ем специального маршрутизирующего протокола. В качестве примеров IP-протоколов маршрутизации можно привести:

• RIP — дистанционно-векторный протокол маршрутизации;

• IGRP — дистанционно-векторный протокол маршрутизации, разработанный корпорацией Cisco;

• OSPF — протокол маршрутизации состояния канала;

• EIGRP — сбалансированный гибридный протокол маршрутизации.

Типы протоколов маршрутизации

Большинство протоколов маршрутизации могут быть отнесены к одному из двух основных типов: дистанционно-векторные или протоколы канала связи. Дистанцион­но-векторный протокол маршрутизации (distance-vector routing protocol) определяет на­правление (вектор) и расстояние для всех связей в сети. Второй подход, связанный с использованием протокола маршрутизации канала связи (link-state routing protocol), также называемого протоколом поиска первого кратчайшего пути (the shortest path first — SPF), каждый раз воссоздает точную топологию всей сети (или, по крайней ме­ре, того сегмента, в котором расположен маршрутизатор). Третий тип протокола — сбалансированный гибридный (balanced-hybrid protocol), соединяет в себе различные ас­пекты протокола состояния связи и дистанционно-векторного.

Конвергенция

При динамической маршрутизации выбор протокола, используемого при опре­делении наилучшего пути для потока данных от конкретного источника к конкрет­ному получателю, имеет принципиальное значение. Каждое изменение топологии сети, связанное с ее ростом, изменением конфигурации или сбоем, должно быть от­ражено в соответствующих таблицах маршрутизации.

В каждый момент времени имеющаяся в таблицах маршрутизации информация должна точно и последовательно отражать новую топологию сети. Такое точное и по­следовательное соответствие называется конвергенцией (convergence).

В случае, когда все маршрутизаторы сети работают с одной и той же информаци­ей о топологии сети, говорят, что сети конвергированы. Быстрая конвергенция яв­ляется весьма желательной, потому что она уменьшает период времени, за который информация о состоянии сети могла бы устареть и стать причиной неправильных или неэффективных решений.

Дистанционно-векторная маршрутизация

Дистанционно-векторные протоколы периодически рассылают копии таблицы маршрутизации от одного маршрутизатора к другому. Каждый маршрутизатор полу­чает таблицу маршрутизации от своего непосредственного соседа (рис. 1.17). На­пример, маршрутизатор В получает информацию от маршрутизатора А. Маршрути­затор В добавляет дистанционно-векторный номер (например, число переходов), увеличивает дистанционный вектор и передает таблицу маршрутизации другому своему соседу, маршрутизатору С. Такой же пошаговый процесс происходит во всех направлениях между маршрутизаторами-соседями.

Рис. 1.17. Дистанционно-векторная маршрутизация

В результате этого процесса протокол накапливает данные о расстояниях в сети, что позволяет ему поддерживать базу данных описывающих текущую топологию се­ти. Однако дистанционно-векторные протоколы не позволяют маршрутизатору знать точную топологию сети.

Маршрутизация состояния канала связи

Вторым основным типом протоколов, используемых для маршрутизации, явля­ется протокол состояния канала связи. Протоколы состояния канала связи поддер­живают комплексную базу данных, в которой содержится информация о топологии сети. В то время как дистанционно-векторный протокол не содержит конкретной информации об удаленных сетях и об удаленных маршрутизаторах, протокол со­стояния канала связи поддерживает полную информационную картину топологии сети, включая информацию об удаленных маршрутизаторах и их взаимосвязях.

Маршрутизация состояния канала связи использует объявления состояния канала связи (link-state advertisement — LSA), топологические базы данных, SPF-протокол, результирующее SPF-дерево, а также таблицу маршрутизации портов для каждой се­ти. На основе концепции состояния канала связи разработчиками была создана OSPF-маршрутизация.

Сравнение дистанционно-векторной маршрутизации и маршрутизации состояния канала связи

Дистанционно-векторную маршрутизацию и маршрутизацию состояния канала связи можно сравнить в нескольких ключевых аспектах.

• Дистанционно-векторная маршрутизация получает все топологические дан­ные из таблиц маршрутизации своих соседей. Маршрутизация состояния ка­нала связи получает информацию о топологии всей сети путем накопления всех необходимых LSA.

• При дистанционно-векторной маршрутизации наилучший путь определяется путем увеличения некоторого числового значения по мере перемещения таблиц от одного маршрутизатора к другому. При маршрутизации состояния канала связи каждый маршрутизатор сам отдельно рассчитывает кратчайший путь к месту назначения.

• В большинстве протоколов дистанционно-векторной маршрутизации отображе­ние изменений топологии происходит периодически по мере поступления таблиц изменений. Эти таблицы перемещаются от одного маршрутизатора к другому, что часто приводит к медленной конвергенции. В протоколах маршрутизации состоя­ния канала связи внесение изменений вызывается изменениями в топологии. От­носительно небольшие LSA, передаваемые всем остальным маршрутизаторам, обычно приводят к уменьшению времени конвергенции.