Для чего используются протоколы внешней маршрутизации

Обновлено: 18.05.2024

Содержание

Формат IP-пакета

Протокол IP реализует сеть передачи дейтаграмм. Дейтаграмма – это общее название для единиц данных, которыми оперируют протоколы без установления соединения. Дейтаграмму протокола IP называют также пакетом. Для доставки пакета протокол IP использует иерархическое структурирование IP – адресов, контроль за временем жизни пакетов в сети и проверку целостности заголовка IP – пакета. Как протокол без установления соединения, протокол IP обрабатывает каждую дейтаграмму индивидуально, т.е. каждый пакет маршрутизируется индивидуально. Узлы сети не устанавливают логическое соединение перед обменом IP – пакетами.

IP-пакет состоит из заголовка и инкапсулированного сегмента транспортного уровня. Приведём некоторые поля заголовка пакета IP.

Поле протокола верхнего уровня содержит идентификатор, указывающий какому протоколу верхнего уровня принадлежит информация, размещенная в поле данных пакета. Например, 6 означает, что в пакете находится заголовок протокола TCP, 17 - протокола UDP.

Поле IP - адресов источника и приемника имеют одинаковую длину 4 байта. IP-адреса представляются в в формате десятичного представления с разделительными точками, где каждый байт представляется своим десятичным эквивалентом. Эти четыре десятичных числа разделяются точкой (например, 128.67.38.255). Каждый IP-адреса состоит из двух частей: идентификатора сети (подсети) NETID (network identifier) и идентификатора хоста HOSTID (host identifier). NETID идентифицирует определенную сеть, к которой подключен хост. Маршрутизаторы используют только NETID, который иногда называют префиксом сети. IP-адрес 128.67.38.255 имеет идентификатор сети 128.67 (в двоичном виде третий и четвертый байты – 10000000 и 01000011) и идентификатор хоста 38.255 (в двоичном виде первый и второй байты – 00100110 11111111). В протоколе IP для извлечения идентификатора сети NETID используется маска с использованием слэша (/). В маске каждый бит, которй является частью идентификатора сети NETID, равен 1, а биты, являющиеся частью идентификатора хоста HOSTID, равны 0. Например, 128.67.38.255/16 означает, что первые 16 битов этого адреса – это идентификатор NETID 128.67.0.0. За счет управления битами в маске группа IP-адресов может быть разбита на меньшие сети. Например, добавив 3 бита к 24 разрядной маске сети 3 бита, добавляется 8 новых сетей, каждая из которых содержит меньшее количество идентификаторов хостов.

Поле общей длины IP - пакета (т.е. заголовка и данных).

Поле время жизни. Определяет, как долго дейтаграмма может оставаться в сети. Каждый маршрутизатор уменьшает значение поля, как минимум, на единицу. Поэтому поле является механизмом самоуничтожения пакета.

Контрольная сумма циклического кода заголовка, контрольно-проверочная комбинация (КПК) занимает 2 байта и рассчитывается только по заголовку.

Поскольку некоторые поля заголовка могут изменяться (например, время жизни), это поле проверяется на каждом маршрутизаторе. Если контрольная сумма неверна, то пакет отбрасывается, как только обнаруживается ошибка.

Принцип маршрутизации

Важнейшей задачей сетевого уровня является маршрутизация — передача пакетов между двумя конечными узлами в составной сети Интернет (т.е. интерсети-internet). Каждую из этих сетей часто называют подсетью. Рассмотрим принципы маршрутизации на примере составной сети, показанной на рис. 1. В этой сети 20 маршрутизаторов объединяют 18 сетей (подсетей) в общую сеть. Здесь S1, S2. S20 - это номера сетей. Маршрутизатор имеют несколько портов (минимум два), к которым присоединяются сети. Каждый порт маршрутизатора можно рассматривать как отдельный узел сети: он имеет собственный сетевой адрес и собственный локальный адрес в той подсети, которая к нему подключена. Например, маршрутизатор под номером 1 имеет три порта, к которым подключены сети S1, S2, S3. На рисунке сетевые адреса этих портов обозначены как М1(1), М1(2) и М1(3). Порт М1(1) имеет локальный адрес в сети с номером S1, порт М1(2) - в сети S2, а порт М1(3) - в сети S3. Таким образом, маршрутизатор можно рассматривать как совокупность нескольких узлов, каждый из которых входит в свою сеть. Как единое устройство маршрутизатор не имеет ни отдельного сетевого адреса, ни какого-либо локального адреса.


В сложных составных сетях почти всегда существует несколько маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до получателя. Так, пакет, отправленный из узла А в узел В, может пройти через маршрутизаторы 17, 12, 5, 4 и 1 или маршрутизаторы 17, 13, 7, 6 и З. Нетрудно найти еще несколько маршрутов между узлами А и В.

Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы. Маршрут выбирается на основании имеющейся у этих устройств информации о текущей конфигурации сети, а также на основании указанного критерия выбора маршрута (метрики). Примером такой метрики может быть количество пройденных в маршруте промежуточных маршрутизаторов (хопов). Чтобы по адресу сети назначения можно было выбрать рациональный маршрут дальнейшего следования пакета, каждый конечный узел и маршрутизатор анализируют специальную информационную структуру, которая называется таблицей маршрутизации. Используя условные обозначения для сетевых адресов маршрутизаторов и номеров сетей в том виде, как они приведены на рис. 1 посмотрим, как могла бы выглядеть таблица маршрутизации, например, в маршрутизаторе 4.

Еще одним отличием работы маршрутизатора и конечного узла при выборе маршрута является способ построения таблицы маршрутизации. Если маршрутизаторы обычно автоматически создают таблицы маршрутизации, обмениваясь служебной информацией, то для конечных узлов таблицы маршрутизации часто создаются вручную администраторами и хранятся и виде постоянных файлов на дисках.

Внутренние и внешний протоколы маршрутизации

Для рассмотрения протоколов маршрутизации необходимо ввести понятие автономной системы. Автономная система AS (Autonomous System) обладает следующими признаками:

  1. AS – это множество маршрутизаторов и сетей (подсетей), управляемых одной организацией.
  2. AS состоит из группы маршрутизаторов, обменивающихся информацией через общий протокол маршрутизации.
  3. За исключением состояния неисправности в AS существует путь между любой парой узлов.

На рис. 2 приведена IP – сеть, состоящая из двух AS. Протокол маршрутизации, который передаёт информацию между маршрутизаторами внутри AS, называется внутренним протоколом маршрутизации IRP (Interior Routing Protocol). При этом алгоритмы маршрутизации, используемые маршрутизаторами различных AS, могут отличаться. Тем не менее, маршрутизаторы в одной AS должны иметь минимальный уровень информации, связанной с сетями других AS, на которые возможна отправка пакетов. Протокол, который используется для передачи информации между маршрутизаторами в различных AS, называется внешним протоколом маршрутизации ERP (Exterior Routing Protocol).


Приведём краткое описание внутренних протоколов RIP и OSPF, а также внешнего протокола маршрутизации BGP. Протоколы RIP и OSPF входят в состав межсетевого уровня архитектуры TCP/IP и выполняют две функции:

  • построение таблицы маршрутизации;
  • обновление таблиц маршрутизации, если состояние связей в составной сети изменилось по причине изменения топологии сети (отказа каналов связи, перегрузки и др.).

Протокол RIP

Протокол маршрутной информации RIP (Routing Information Protocol) является внутренним протоколом маршрутизации дистанционно-векторного типа. Определенный в документе RFC 1058 в качестве метрики протокол RIP использует число транзитных маршрутизаторов (хопов). Согласно спецификации, маршрутизатор извлекает информацию о подсети и расстоянии из своей таблицы маршрутизации и передаёт эти данные соседним маршрутам через каждые 30 секунд. Соседний узел, в свою очередь передает информацию соседнему узлу, пока все узлы внутри сети не получат одинаковую информацию о маршрутах. Протокол RIP продолжает оставаться популярным протоколом маршрутизации, поскольку он прост и хорошо подходит для небольших IP-сетей. Однако он имеет множество ограничений, включая следующие.

  1. RIP неприемлем для больших конфигураций (более 15 подсетей). Если разрешить метрики большого размера, то чрезмерно увеличится время формирования таблиц маршрутизации или их коррекции после изменения топологии. Способ обмена таблицами маршрутизации, принятый протоколом RIP, в крупных сетях может привести к перегрузке сети.
  2. В современных сетях использование числа транзитов в качестве метрики маршрутизации не всегда эффективно, т.к. она не берёт в расчёт загрузку каналов передачи, не учитывает разную пропускную способность каналов. Протокол RIP выбирает маршрут через два маршрутизатора через каналы 64Кбит/с, хотя мог бы быть выбран более экономичный маршрут через три маршрутизатора через каналы 2,048 Мбит/с. Этот экономичный выбор обеспечивает протокол OSPF.

Протокол OSPF

Протокол маршрутизации - OSPF (Open Shortest Path First - выбор кратчайшего пути первым) использует принцип контроля состояния канала, а метрика представляет собой оценку эффективности связи в этом канале. Чем меньше метрика, тем эффективней организация связи. Метрика, оценивающая пропускную способность канала, определяется, например, компанией Cisco, как количество секунд для передачи 100Мбит. Тогда, например,

  • канал типа E1 = 2,048 Мбит/с (глава 3) соответствует метрике 488;
  • канал 64 Кбит/с соответствует метрике 1562.

В этом случае маршрут через три маршрутизатора с каналами типа E1 составит метрику 488+488=976 единиц и является более экономичным по сравнению с маршрутом между двумя маршрутизаторами с каналом 64 Кбит/с (метрика 1562).

При первоначальном построении таблицы маршрутизации маршрутизатор определяет метрику канала на каждом своём интерфейсе. Затем маршрутизатор информирует об этих значениях все другие маршрутизаторы сети. На основании этих данных каждый маршрутизатор строит топографическую карту (базу данных) сети, по которой определяется кратчайший путь к каждой подсети. Данные этих кратчайших маршрутов помещаются в таблицу маршрутизации маршрутизатора. При невозможности передать пакеты к сети назначения (из-за отказа каналов связи, транзитных маршрутизаторов, перегрузках и др.) эти пакеты отбрасываются. Каждая запись в топологической базе данных сети имеет свой срок жизни. С каждой записью связан таймер, который служит для контроля времени жизни записи. Если какая-либо запись в топологической базе данных устаревает, то первый из таких маршрутизаторов запрашивает её новую копию с помощью специального пакета OSPF "Запрос сведений о состоянии каналов" (Link-State Request), на который должен поступить ответ "Корректировка сведений о состоянии каналов" (Link-State Update) или "Уведомление о состоянии канала" (Link-State Acknowledgement) от маршрутизатора непосредственно тестирующего эту связь. Если состояние связей в сети изменилось и произошла корректировка в маршрутизаторе сети, то этот маршрутизатор в широковещательном режиме сообщает всем соседним маршрутизаторам эти изменения. В OSPF передается только часть таблицы маршрутизации, а не вся таблица маршрутизации, как в RIP.

Протокол BGP

  • идентификатор AS1;
  • IP - адрес маршрутизатора R1;
  • список всех подсетей в AS1, достижимых через R1.
  • список идентификаторов (AS1, AS2);
  • IP - адрес маршрутизатора R5;
  • список всех подсетей в AS1.

Для рассмотрения протоколов маршрутизации необходимо ввести понятие автономной системы. Автономная система AS (Autonomous System) обладает следующими признаками:

1. AS – это множество маршрутизаторов и сетей (подсетей), управляемых одной организацией.

2. AS состоит из группы маршрутизаторов, обменивающихся информацией через общий протокол маршрутизации.

3. За исключением состояния неисправности в AS существует путь между любой парой узлов.

На рис. 13.2 приведена IP – сеть, состоящая из двух AS. Протокол маршрутизации, который передаёт информацию между маршрутизаторами внутри AS, называется внутренним протоколом маршрутизации IRP (Interior Routing Protocol). При этом алгоритмы маршрутизации, используемые маршрутизаторами различных AS, могут отличаться. Тем не менее, маршрутизаторы в одной AS должны иметь минимальный уровень информации, связанной с сетями других AS, на которые возможна отправка пакетов. Протокол, который используется для передачи информации между маршрутизаторами в различных AS, называется внешним протоколом маршрутизации ERP (Exterior Routing Protocol).


Рис. 13.2. Внутренний и внешний протоколы маршрутизации

Приведём краткое описание внутренних протоколов RIP и OSPF, а также внешнего протокола маршрутизации BGP. Протоколы RIP и OSPF входят в состав межсетевого уровня архитектуры TCP/IP и выполняют две функции:

· построение таблицы маршрутизации;

· обновление таблиц маршрутизации, если состояние связей в составной сети изменилось по причине изменения топологии сети (отказа каналов связи, перегрузки и др.).

Протокол BGP входит в состав транспортного уровня TCP.

Протокол RIP

Протокол маршрутной информации RIP (Routing Information Protocol) является внутренним протоколом маршрутизации дистанционно-векторного типа. Определенный в документе RFC 1058 в качестве метрики протокол RIP использует число транзитных маршрутизаторов (хопов). Согласно спецификации, маршрутизатор извлекает информацию о подсети и расстоянии из своей таблицы маршрутизации и передаёт эти данные соседним маршрутам через каждые 30 секунд. Соседний узел, в свою очередь передает информацию соседнему узлу, пока все узлы внутри сети не получат одинаковую информацию о маршрутах. Протокол RIP продолжает оставаться популярным протоколом маршрутизации, поскольку он прост и хорошо подходит для небольших IP-сетей. Однако он имеет множество ограничений, включая следующие.

1. RIP неприемлем для больших конфигураций (более 15 подсетей). Если разрешить метрики большого размера, то чрезмерно увеличится время формирования таблиц маршрутизации или их коррекции после изменения топологии. Способ обмена таблицами маршрутизации, принятый протоколом RIP, в крупных сетях может привести к перегрузке сети.

2. В современных сетях использование числа транзитов в качестве метрики маршрутизации не всегда эффективно, т.к. она не берёт в расчёт загрузку каналов передачи, не учитывает разную пропускную способность каналов. Протокол RIP выбирает маршрут через два маршрутизатора через каналы 64 Кбит/с, хотя мог бы быть выбран более экономичный маршрут - через три маршрутизатора, соединенные 30-канальньной группой со скоростью 2,048 Мбит/с. Этот экономичный выбор обеспечивает протокол OSPF.

Протокол OSPF

Протокол маршрутизации - OSPF (Open Shortest Path First - выбор кратчайшего пути первым) использует принцип контроля состояния канала, а метрика представляет собой оценку эффективности связи в этом канале. Чем меньше метрика, тем эффективней организация связи. Метрика, оценивающая пропускную способность канала, определяется, например, компанией Cisco, как количество секунд для передачи 100 Мбит. Тогда, например,

· 30-канальная группа типа E1 со скоростью 2,048 Мбит/с (глава 3) соответствует метрике 488;

· канал 64 Кбит/с соответствует метрике 1562.

В этом случае маршрут через три маршрутизатора с каналами типа E1 составит метрику 488+488=976 единиц и является более экономичным по сравнению с маршрутом между двумя маршрутизаторами с каналом 64 Кбит/с (метрика 1562).

При первоначальном построении таблицы маршрутизации маршрутизатор определяет метрику канала на каждом своём интерфейсе. Затем маршрутизатор информирует об этих значениях все другие маршрутизаторы сети. На основании этих данных каждый маршрутизатор строит топографическую карту (базу данных) сети, по которой определяется кратчайший путь к каждой подсети. Данные этих кратчайших маршрутов помещаются в таблицу маршрутизации маршрутизатора. При невозможности передать пакеты к сети назначения (из-за отказа каналов связи, транзитных маршрутизаторов, перегрузках и др.) эти пакеты отбрасываются. Каждая запись в топологической базе данных сети имеет свой срок жизни. С каждой записью связан таймер, который служит для контроля времени жизни записи. Если какая-либо запись в топологической базе данных устаревает, то первый из таких маршрутизаторов запрашивает её новую копию с помощью специального пакета OSPF "Запрос сведений о состоянии каналов" (Link-State Request), на который должен поступить ответ "Корректировка сведений о состоянии каналов" (Link-State Update) или "Уведомление о состоянии канала" (Link-State Acknowledgement) от маршрутизатора непосредственно тестирующего эту связь. Если состояние связей в сети изменилось и произошла корректировка в маршрутизаторе сети, то этот маршрутизатор в широковещательном режиме сообщает всем соседним маршрутизаторам эти изменения. В OSPF передается только часть таблицы маршрутизации, а не вся таблица маршрутизации, как в RIP.

Протокол BGP

1. идентификатор AS1;

2. IP - адрес маршрутизатора R1;

3. список всех подсетей в AS1, достижимых через R1.

· список идентификаторов (AS1, AS2);

· IP - адрес маршрутизатора R5;

· список всех подсетей в AS1.

Читайте также: