Принципи маршрутизації. Поняття маршруту, default gateway, routing

Найважливішою задачею мережного рівня є маршрутизація - передача пакетів між двома кінцевими вузлами в складеній мережі.

Розглянемо принципи маршрутизації на прикладі складеної мережі, зображеної на мал. 6.4. У цій мережі 20 маршрутизаторів поєднують 18 мереж у загальну мережу; S1, S2, ... , S20 - це номера мереж.

Маршрутизатори мають по декілька портів (принаймні, по двох), до яких приєднуються мережі. Кожен порт маршрутизатора можна розглядати як окремий вузол мережі: він має власну мережну адресу і власна локальна адреса в тієї підмережі , що до нього підключена. Наприклад, маршрутизатор під номером 1 має три порти, до яких підключені мережі S1, S2, S3. На малюнку мережні адреси цих портів позначені як М1(1), Ml (2) і М1(3). Порт М1(1) має локальна адреса в мережі з номером S1, порт Ml (2) - у мережі S2, а порт М1(3) - у мережі S3. Таким чином, маршрутизатор можна розглядати як сукупність декількох вузлів, кожний з який входить у свою мережу. Як єдиний пристрій маршрутизатор не має ні окремої мережної адреси, ні якої-небудь локальної адреси.

У складних складених мережах майже завжди існує декілька тивних маршрутів для передачі пакетів між двома кінцевими вузлами. Маршрут - це послідовність маршрутизаторів, що повинен пройти пакет від відправника до пункту призначення. Так, пакет, відправлений з вузла А в вузол В, може пройти через маршрутизатори 17, 12, 5, 4 і 1 чи маршрутизатори 17,13, 7, 6 і З. Неважко знайти ще кілька маршрутів між вузлами А і В.

Задачу вибору маршруту з декількох можливих вирішують маршрутизатори, а також кінцеві вузли. Маршрут вибирається на підставі наявної в цих пристроїв інформації про поточну конфігурації мережі, а також на підставі зазначеного критерію вибору маршруту. Звичайно як критерій виступає затримка проходження маршруту окремим чи пакетом середня пропускна здатність маршруту для послідовності пакетів. Часто також використовується дуже простий критерій, що враховує тільки кількість пройдених у маршруті проміжних маршрутизаторів (хопів).

Рисунок 6.4 – Принципи маршрутизації в складеній мережі

Щоб за адресою мережі призначення можна було б вибрати раціональний маршрут подальшого проходження пакета, кожен кінцевий вузол і маршрутизатор аналізують спеціальну інформаційну структуру, що називається таблицею маршрутизації. Використовуючи умовні позначки для мережних адрес маршрутизаторів і номерів мереж у тому вигляді, як вони приведені на мал. 1, подивимося, як могла б виглядати таблиця маршрутизації, наприклад, у маршрутизаторі 4 (табл. 6.2).

Таблиця 6.2 – Таблиця маршрутизації маршрутизатора 4

Номер мережі призначення	Мережева адреса наступного маршрутизатора	Мережева адреса вихідного порту	Відстань до мережі призначення
S1	M1(2)	M4(1)	1
S2	-	M4(1)	0 - під’єднана
S3	M1(2)	M4(1)	1
S4	M1(2)	M4(1)	2
S5	-	M4(2)	0 - під’єднана
S6	M2(1)	M4(1)	2
default	M5(1)	M4(2)	-

У першому стовпці таблиці перелічуються номери мереж, що входять в інтермережу. У кожнім рядку таблиці слідом за номером мережі вказується мережна адреса наступного маршрутизатора (більш точно, мережна адреса відповідного порту наступного маршрутизатора), на який треба направити пакет, щоб той пересувався в напрямку до мережі з даним номером по раціональному маршруті.

Коли на маршрутизатор надходить новий пакет, номер мережі призначення, витягнутий з кадру, що надійшов, послідовно порівнюється з номерами мереж з кожного рядка таблиці. Рядок з номером мережі, що збігся, указує, на який найближчий маршрутизатор варто направити пакет. Наприклад, якщо на який-небудь порт маршрутизатора 4 надходить пакет, адресований у мережу S6, то з таблиці маршрутизації випливає, що адреса наступного маршрутизатора - М2(1), тобто черговим етапом руху даного пакета буде рух до порту 1 маршрутизатора 2.

Оскільки пакет може бути адресований у будь-яку мережу складеної мережі, може здатися, що кожна таблиця маршрутизації повинна мати записи про всі мережі, що входять у складену мережу. Але при такому підході у випадку великої мережі обсяг таблиць маршрутизації може виявитися дуже великим, що вплине на час її перегляду, зажадає багато місця для збереження і т.п. Тому на практиці число записів у таблиці маршрутизації намагаються зменшити за рахунок використання спеціального запису - «маршрутизатор за замовчуванням» (default). Дійсно, якщо взяти до уваги топологію складеної мережі, то в таблицях маршрутизаторів, що знаходяться на периферії складеної мережі, досить записати номера мереж, безпосередньо приєднаних до даного маршрутизатора чи розташованих поблизу, та на тупикових маршрутах. Про всі ж інші мережі можна зробити в таблиці єдиний запис, що вказує на маршрутизатор, через які пролягає шлях до всіх цих мереж. Такий маршрутизатор називається маршрутизатором за замовчуванням, а замість номера мережі у відповідній рядку міститься особливий запис, наприклад default. У нашому прикладі таким маршрутизатором за замовчуванням для мережі S5 є маршрутизатор 5, точніше його порт М5(1). Це означає, що шлях з мережі S5 майже до всіх мереж великої складеної мережі пролягає через цей порт маршрутизатора.

Перед тим як передати пакет наступному маршрутизатору, поточний маршрутизатор повинний визначити, на який з декількох власних портів він повинний помістити даний пакет. Для цього служить третій стовпець таблиці маршрутизації. Ще раз підкреслимо, що кожен порт ідентифікується власною мережною адресою.

Деякі реалізації мережних протоколів допускають наявність у таблиці маршрутизації відразу декількох рядків, що відповідають тій самій адресі мережі призначення. У цьому випадку при виборі маршруту приймається в увагу стовпець «Відстань до мережі призначення». При цьому під відстанню розуміється будь-яка метрика, використовувана відповідно до заданого в мережному пакеті критерієм (часто називаним класом сервісу). Відстань може вимірятися хопами, часом проходження пакета по лініях зв'язку, якою-небудь характеристикою надійності ліній зв'язку на даному чи маршруті іншою величиною, що відбиває якість даного маршруту стосовно заданого критерію. Якщо маршрутизатор підтримує кілька класів сервісу пакетів, то таблиця маршрутів складається і застосовується окремо для кожного виду сервісу (критерію вибору маршруту).

У табл. 6.2 відстань між мережами вимірялася хопами. Відстань для мереж, безпосередньо підключених до портів маршрутизатора, тут приймається рівним 0, однак у деяких реалізаціях відлік відстаней починається з 1.

Наявність декількох маршрутів до одного вузла уможливлюють передачу трафіка до цього вузла паралельно по декількох каналах зв'язку, це підвищує пропускну здатність і надійність мережі.

Задачу маршрутизації вирішують не тільки проміжні вузли - маршрутизатори, але і кінцеві вузли - комп'ютери. Засоби мережного рівня, встановлені на кінцевому вузлі, при обробці пакета повинні, насамперед, визначити, чи направляється він в іншу чи мережу адресований якому-небудь вузлу даної мережі. Якщо номер мережі призначення збігається з номером даної мережі, то для даного пакета не потрібно вирішувати задачу маршрутизації.

Додатково про маршрутизацію

Під маршрутизацією розуміють процес вибору шляху слідування від відправника до отримувача. Мета маршрутизації – оптимізація шляху з точки зору мінімальної затримки максимальної кількості трафіку при забезпеченні надійності та заданого рівня захисту. Маршрутизація – це функція мережевого рівня, яка зводиться до вибору вузлами комутації шляху подальшої передачі пакету, який потрапив на їх вхід. Маршрутизація може бути централізованою та децентралізованою (розподіленою) (рис. 6.5). При розподіленому управлінні кожен вузол комутації самостійно визначає напрям передачі пакетів.

Рисунок 6.5 – Типи маршрутизації

До простої маршрутизації відносяться методи, які не враховують інформації про топологію та завантаженість каналів мережі.

Лавинна маршрутизація. В її основі лежить алгоритм розмноження пакетів, за яким вузол комутації, отримуючи пакет, генерує його клони, і розповсюджує їх в усіх напрямках крім того, з якого він отриманий. (рис. 6.6)

Для придушення ефекту розповсюдження пакетів у кожному вузлі комутації знищуються всі пакети, які потрапляють до нього повторно. Перевага лавинної маршрутизації – мінімальні затримки, оскільки використовуються всі шляхи, в тому числі і найкоротший. Недоліки – велика кількість надлишкової інформації та значна завантаженість мережі.

Таблична маршрутизація. На кожному вузлі комутації формується таблиця маршрутів, в якій вказується, по якому маршруту повинен передаватися пакет, щоб він досяг вузла-отримувача за найкоротший проміжок часу. Таблична маршрутизація розрізняється за методом, за яким формуються маршрути.

При динамічній (адаптивній) маршрутизації зміст таблиці маршрутів змінюється залежно від стану та завантаженості каналів передачі даних та їх вузлів комутації. Для цього вузлу необхідна інформація, яка відслідковується з допомогою спеціальних управляючих повідомлень (update messages). Цими повідомленнями обмінюються вузли комутації, які входять до мережі передачі даних.

Рисунок 6.6 – Лавинна маршрутизація

Для мережі з централізованою маршрутизацією менеджер мережі збирає інформацію про канали та формує таблицю маршрутів. Недоліком такої схеми є відносно низька надійність, пов’язана із можливістю виходу з ладу менеджера мережі, а також затримка на збір та обробку інформації про маршрути. Переваги – простота керування та контролю.

При розподіленій маршрутизації кожен вузол комутації самостійно формує таблицю маршрутів, використовуючи інформацію від вузлів комутації, що знаходяться на можливих шляхах до вузла-отримувача інформації.

При локальній маршрутизації створюється певна група вузлів, яка об’єднується, і маршрутизація здійснюється одним окремо обраним для цього вузлом.А1 Þ А4:

Процес маршрутизації включає 2 основні види діяльності: визначення оптимального шляху та просування пакетів через мережеве середовище (комутація пакетів). Останнє є порівняно простим завданням, на відміну від першого.

Для визначення того, який з існуючих шляхів буде оптимальним, протоколи маршрутизації використовують метрики.

Метрика – це певна безрозмірна характеристика шляху, яка вказує на переваги того чи іншого шляху перед іншими. Метрика може бути досить простою (кількість проміжних пунктів до отримувача) або розраховуватися за складною формулою на основі багатьох показників (пропускна здатність каналу, його завантаженість, затримки і т.д.). Як правило, найоптимальнішим вважається шлях із мінімальною метрикою.

Робота протоколів маршрутизації завжди базується на стандартному або модифікованому алгоритмі маршрутизації. Алгоритми маршрутизації можна розділити на групи, базуючись на кількох ключових характеристиках. По-перше, специфічні цілі проектувальника алгоритму впливають на функціонування протоколу маршрутизації. По-друге, існують різні типи алгоритмів маршрутизації; відповідно, вони по-різному впливають на мережу та мережеві ресурси. І, нарешті, алгоритми маршрутизації використовують різні метрики, що впливає на обчислення оптимального шляху.

Типи алгоритмів маршрутизації

Алгоритми маршрутизації можуть бути класифіковані за типами.

Статичні на противагу динамічним

Статичні алгоритми маршрутизації важко назвати алгоритмами взагалі, це просто таблиці маршрутизації, які повністю заповнюються вручну адміністратором. Така маршрутизація використовується там, де мережевий трафік відносно передбачуваний, а топологія мережі – проста і рідко змінюється. Статична маршрутизація не пристосовується автоматично до змін у мережі, а тому не підходить для використання у сучасних великий, постійно змінних мережах.

Динамічні алгоритми пристосовуються до зміни мережевих умов автоматично, аналізуючи повідомлення-апдейти від інших маршрутизаторів. При зміні топології маршрутизуюче програмне забезпечення перераховує маршрути і розсилає нові апдейти; відповідно всі пристрої змінюють відповідні записи у таблицях маршрутизації.

При необхідності можна поєднувати ці два методи.

Одношляхові на противагу багатошляховим

Деякі досить складні протоколи маршрутизації підтримують кілька шляхів до однієї точки призначення. На відміну від одношляхових алгоритмів, багатошляхові дозволяють мультиплексацію трафіку через кілька ліній зв’язку. Переваги таких алгоритмів очевидні: значно краща пропускна здатність та надійність. Як правило, цю функцію називають розділенням навантаження (load sharing).

Плоскі на противагу ієрархічним

У плоскій системі всі маршрутизатори виконують однакові функції. У ієрархічній системі частина маршрутизаторів формує так звану маршрутизуючу магістраль. Пакети від немагістральних маршрутизаторів направляються до магістральних, які просувають їх через магістраль до відповідної ділянки.

“Від джерела” на противагу прозорим.

Деякі алгоритми маршрутизації дозволяють вузлу-джерелу визначити весь маршрут інформації. Такий спосіб, як правило, називають “маршрутизація від джерела”. Інші алгоритми припускають, що кінцева системи не знає нічого про існуючі маршрути. В них кожен маршрутизатор визначає подальший шлях пакета, базуючись на власних обрахунках.

Інтрадоменні на противагу інтердоменним

Деякі алгоритми маршрутизації призначені лише для роботи в межах одного домену, інші – між доменами. Такий поділ випливає з того, що оптимальний інтрадоменний алгоритм не завжди є оптимальним інтердоменним.

Стану каналу на противагу дистанційно-векторним

Детальний аналіз даного поділу алгоритмів наводиться у наступних темах.

Метрики

Таблиці маршрутизації містять інформацію, яка використовується комутуючим програмним забезпеченням для вибору кращого маршруту. Ознакою, за якою обирається оптимальний маршрут, є метрика.

Алгоритми маршрутизації використовують багато різноманітних метрик. Більш складні алгоритми маршрутизації використовують комбіновані метрики.

У алгоритмах маршрутизації можуть використовуватися наступні метрики:

• довжина шляху;

• надійність;

• затримка;

• пропускна здатність;

• завантаженість;

• вартість передачі інформації.

Довжина шляху – це найбільш загальна метрика. Деякі протоколи маршрутизації дозволяють мережевому адміністратору поставити у відповідність кожному каналу довільну вартість; тоді загальна довжина шляху визначається як сума усіх вартостей по шляху. Інші протоколи визначають як довжину шляху кількість проміжних пристроїв (як правило, інших маршрутизаторів).

Надійність у контексті алгоритмів маршрутизації – це достовірність передачі інформації (як правило, описується частотою помилок на біт переданої інформації) по кожному каналу. Але до уваги можуть братися будь-які фактори надійності – наприклад, швидкість відновлення після збоїв. Рівнем надійності може служити довільне значення, яки присвоюється адміністратором мережі.

Затримка маршрутизації – це проміжок часу, необхідний для передачі пакету від відправника до отримувача. Затримка залежить від багатьох факторів, включаючи пропускну здатність каналів, черги на портах проміжних пристроїв, завантаженість кожного каналу та навіть фізичну відстань між пристроями.

Пропускна здатність – здатність каналу передавати певний об’єм трафіку за одиницю часу. Але пропускна здатність – це лише теоретична величина, тому не завжди канал із більшою теоретичною пропускною здатністю є більш бажаним, він може бути зайнятим на момент передачі інформації.

Завантаженість стосується рівня зайнятості мережевих ресурсів, зокрема маршрутизаторів. Завантаженість може бути обчислена різними шляхами, наприклад, як рівень використання CPU або швидкість обробки пакетів.

Вартість стає особливо важливою метрикою при використанні громадських ліній, які є, як правило, платними. У таких випадках більш вигідним може стати використання повільнішої лінії за менші кошти.