35. Протоколы динамической маршрутизации.

Одной из основных, если не сказать главных, проблем построения сетей является коммутация. Каждый узел, выполняющий транзитную передачу трафика, должен уметь его коммутировать, то есть обеспечить взаимодействие пользователей сети [1, с.45].

На технологию коммутации непосредственно влияет принцип выбора маршрута пе­редачи информационных потоков через сеть. Маршрут, то есть последовательность транзит­ных узлов сети, которые должны пройти данные, чтобы попасть к получателю, должен вы­бираться так, чтобы одновременно достигались две цели.

Во-первых, данные каждого пользователя должны передаваться как можно быстрее, с минимальными задержками в пути.

Во-вторых, ресурсы сети должны использоваться максимально эффективно, так что­бы сеть в единицу времени передавала как можно больше данных, поступающих от всех пользователей сети.

Задача состоит в том, чтобы добиться совмещения этих целей (эгоистичной цели от­дельного пользователя и коллективной цели сети как единой системы). Компьютерные сети традиционно решали эту проблему неэффективно, в пользу индивидуальных потоков, и только в последнее время появились более совершенные методы маршрутизации.

В этом и состоит задача маршрутизации, которую обеспечивают маршрутизаторы.

Маршрутизатор - это устройство для объединения нескольких, возможно геогра­фически удаленных друг от друга, сетей [5].

Маршрутизаторы объединяют сети разными способами. Линия связи может быть как телефонной, так и выделенной, например xDSL, ATM, Frame relay, ISDN. X.25 или любого другого типа. Маршрутизатор работает на сетевом уровне (уровень 3) модели 1SO/OSI и вы­полняет следующие действии:

• проверяет целостность пакетов - вычисляет контрольные суммы и обновляет заго­ловки пакетов (например, значение счетчика переходов - количества маршрутизаторов, пе­реславших пакет);

• обращается к таблице маршрутизации, чтобы определить дальнейший маршрут па­кета, Если адрес получателя уже указан в таблице маршрутизации, то можно быстро опреде­лить, в какой порт необходимо переслать пакет;

• ставит пакет в очередь на отправку;

• собственно отправляет пакет;

• обменивается маршрутной информацией с другими маршрутизаторами.

Для обновления таблицы маршрутизации, чтобы она соответствовала текущей топо­логии сети, необходимы алгоритмы маршрутизации. Алгоритм маршрутизации должен быть простым, быстрым, легко реализуемым, надежным (то есть исключать ошибки при пе­ресылке пакета следующему адресату) и, наконец, гибким к изменениям сети. Естественно, необходимо, чтобы таблицы маршрутизации обновлялись регулярно

Алгоритмы маршрутизации реализуются в протоколах маршрутизации (routine рго- locols). Последние работают поверх сетевых протоколов, например IP или IPX. которые ино­гда называют маршрутизируемыми протоколами (routed protocols). Другими словами, про­токол маршрутизации работает поверх маршрутизируемого протокола. Исходя из разных критериев оценки, алгоритмы маршрутизации можно классифицировать следующим образом (учтите, что один алгоритм может попасть разу в несколько классов). Вот эти классы:

S статическая маршрутизация;

•S динамическая маршрутизация;

•S внутридоменная маршрутизация;

■S междоменная маршрутизация;

■S одноуровневая маршрутизация;

■S иерархическая маршрутизация;

S централизованная маршрутизация;

S распределенная маршрутизация;

S однопутевая маршрутизация;

S многопутевая маршрутизация;

S маршрутизация хостом;

•S маршрутизация маршрутизатором;

S канальная маршрутизация (маршрутизация по состоянию канала);

■S векторная маршрутизация;

■S принудительная маршрутизация;

1. Статическая и динамическая маршрутизации

При статической маршрутизации (static routing) таблица маршрутизации создается при настройке маршрутизатора и не изменяется динамически. Время от времени админист­ратор сети может корректировать ее вручную. Очевидно, статическая маршрутизация не в состоянии оперативно следовать всем изменениям сети, поэтому ее редко используют.

Алгоритмы динамической маршрутизации (dynamic routing) способны адаптиро­ваться к изменениям конфигурации сети, поэтому они очень широко применяются. Естест­венно, разные алгоритмы маршрутизации по-разному анализируют данные и обмениваются маршрутной информацией.

2. Классификация протоколов маршрутизации

Автоматически создаваемые таблицы маршрутизации обеспечивают рациональность маршрутов следования пакетов через сеть, при этом критерии выбора маршрутов могут быть разными [1]. В IP-сетях сегодня применяются протоколы маршрутизации, в которых маршрут выбирается либо по критерию кратчайшего расстояния, где под расстоянием, про­ходимым пакетом, понимается количество промежуточных маршрутизаторов (хопов), либо по комплексному показателю, учитывающему также номинальную пропускную способность каналов между маршрутизаторами, надежность каналов или вносимые ими задержки.

Протокол маршрутизации должен создавать в маршрутизаторах согласованные друг с другом таблицы маршрутизации, то есть такие, которые обеспечат доставку пакета от ис­ходной сети в сеть назначения за конечное число шагов. Можно представить и несогласо­ванную пару таблиц, когда таблица маршрутизатора 1 показывает, что пакет для сети А нуж­но передать маршрутизатору 2, а таблица маршрутизатора 2 отправляет этот же пакет мар­шрутизатору 1.

Современные протоколы маршрутизации обеспечивают согласованность таблиц, од­нако это их свойство не абсолютно - при изменениях в сети, например, при отказе каналов передачи данных или самих маршрутизаторов, возникают периоды нестабильной работы се­ти, вызванной временной несогласованностью таблиц разных маршрутизаторов. Протоколу маршрутизации обычно нужно некоторое время, которое называется временем конверген­ции, чтобы после нескольких итераций обмена служебной информацией все маршрутизато­ры сети внесли изменения в свои таблицы и в результате таблицы снова стали согласован­ными. Различные протоколы маршрутизации обладают разным временем конвергенции.

Следуя принципу масштабируемости, маршрутизация в Интернете функционирует в пределах автономных систем (Autonomous Systems, AS).

В IP-сетях в качестве внутренних шлюзовых протоколов, то есть протоколов, при­меняемых внутри автономных систем, сегодня активно используются три протокола - RIP. OSPF и IS-IS. Внешним шлюзовым протоколом, то есть протоколом выбора маршрута между автономными системами, сегодня является протокол BGP.

3. Динамическое назначение сетевых адресов

Для нормальной работы сети каждому сетевому интерфейсу компьютера и маршрути­затора должен быть назначен 1Р-адрес.

Процедура присвоения адресов происходит в ходе конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. Назначение IP-адресов может происходить вручную.

При конфигурировании администратор помимо IP-адресов сетевых интерфейсов (и со­ответствующих масок) устройству сообщает ряд других конфигурационных параметров сте­ка TCP/IP:

• маску и IP-адрес маршрутизатора по умолчанию,

• IP-адрес сервера DNS,

• доменное имя компьютера и т. п.

Даже при не очень большом размере сети эта работа представляет для администратора утомительную процедуру.

4. Источники и типы записей в таблице маршрутизации

Практически для всех маршрутизаторов существуют три основных источника появ­ления записи в таблице.

1. Программное обеспечение стека TCP/IP, которое при инициализации маршрутизатора автоматически заносит в таблицу несколько записей, в результате чего создается так на­зываемая минимальная таблица маршрутизации. Программное обеспечение формирует записи о непосредственно подключенных сетях и маршрутах по умолчанию, информация

о которых появляется в стеке при ручном конфигурировании интерфейсов компьютера или маршрутизатора.

2. Администратор, непосредственно формирующий записи с помощью некоторой системной утилиты, например программы route, имеющейся в операционных системах Unix и Win­dows 2000. В аппаратных маршрутизаторах также всегда имеется команда для ручного задания записей таблицы маршрутизации. Заданные вручную записи всегда являются статическими, то есть они не имеют срока жизни. Эти записи могут быть как постоян­ными. то есть сохраняющимися при перезагрузке маршрутизатора, так и временными, хранящимися в таблице только до выключения устройства. Часто администратор вруч­ную заносит запись о маршруте по умолчанию. Таким же образом в таблицу маршрути­зации может быть внесена запись о специфическом для узла маршруте.

3. Протоколы маршрутизации, такие как RIP или OSPF. Такие записи всегда являются ди­намическими, то есть имеют ограниченный срок жизни.

5. Протокол RIP

Протокол RIP (Routing Information Protocol - протокол маршрутной информации) является внутренним протоколом маршрутизации дистанционно-векторного типа, он пред­ставляет собой один из наиболее ранних протоколов обмена маршрутной информацией и до сих пор чрезвычайно распространен в вычислительных сетях ввиду простоты реализации.

Для IP имеются две версии RIP - RIPvl и RIPv2. Протокол RIPvl не поддерживает масок. Протокол RIPv2 передает информацию о масках сетей, поэтому он в большей степени соответствует требованиям сегодняшнего дня. Так как построение таблиц маршрутизации в обеих версиях 1 и 2 принципиально не отличается, в дальнейшем для упрощения записей бу­дет описываться работа версии 1.

Для измерения расстояния до сети стандарты протокола RIP допускают, различные виды метрик: хопы, значения пропускной способности, вносимые задержки, надежность се­тей (то есть соответствующие признакам D, Т и R в поле качества сервиса IP-пакета), а также любые комбинации этих метрик. Метрика должна обладать свойством аддитивности - мет­рика составного пути должна быть равна сумме метрик составляющих этого пути. В боль­шинстве реализаций RIP используется простейшая метрика - количество хопов, то есть ко­личество промежуточных маршрутизаторов, которые нужно преодолеть пакету до сети на­значения.

Если маршрутизаторы периодически повторяют этапы рассылки и обработки RIP- сообщений. то за конечное время в сети установится корректный режим маршрутизации. Под корректным режимом маршрутизации здесь понимается такое состояние таблиц мар­шрутизации, когда все сети достижимы из любой сети с помощью некоторого рационального маршрута. Пакеты будут доходить до адресатов и не зацикливаться в петлях.

Очевидно, если в сети все маршрутизаторы, их интерфейсы и соединяющие их ли­нии связи остаются работоспособными, то объявления по протоколу RIP можно делать дос­таточно редко, например один раз в день. Однако в сетях постоянно происходят изменения меняется работоспособность маршрутизаторов и линий связи, кроме того, маршрутизаторы и линии связи могут добавляться в существующую сеть или же выводиться из ее состава.

Для адаптации к изменениям в сети протокол RIP использует ряд механизмов:

S механизм истечения времени жизни маршрута;

S механизм тайм-аута.

6. Протокол OSPF

Протокол OSPF (Open Shortest Path First - выбор кратчайшего пути первым) является достаточно современной реализацией алгоритма состояния связей (он принят в 1991 году) и обладает многими особенностями, ориентированными на применение в больших гетероген­ных сетях.

Как и все протоколы маршрутизации, основанные на алгоритме состояния связей, OSPF разбивает процесс построения таблицы маршрутизации на два этапа.

На первом этапе каждый маршрутизатор строит граф связей сети, в котором верши­нами графа являются маршрутизаторы и IP-сети, а ребрами - интерфейсы маршрутизаторов. Все маршрутизаторы для этого обмениваются со своими соседями той информацией о графе сети, которой они располагают к данному моменту. Этот процесс похож на процесс распро­странения векторов расстояний до сетей в протоколе RIP. однако сама информация качест­венно иная - это информация о топологии сети. Сообщения, с помощью которых распро­страняется топологическая информация, называются объявлениями о состоянии связей сети (Link State Advertisements, LSA). Кроме того, при передаче топологической информации OSPF маршрутизаторы ее не модифицируют, как это делают RIP-маршрутизаторы, а пере­дают в неизменном виде. В результате все маршрутизаторы сети располагают идентичными сведениями о графе сети, которые хранятся в базе данных о топологии сети.

Второй этап состоит в нахождении оптимальных маршрутов с помощью получен­ного графа. Задача нахождения оптимального пути на графе является достаточно сложной и трудоемкой. В протоколе OSPF для ее решения используется итеративный алгоритм Дийкст- ры. Каждый маршрутизатор считает себя центром сети и ищет оптимальный маршрут до ка­ждой известной ему сети. В каждом найденном таким образом маршруте запоминается толь­ко один шаг - до следующего маршрутизатора, в соответствии с принципом одношаговой маршрутизации. Данные об этом шаге и попадают в таблицу маршрутизации. Если несколь­ко маршрутов имеют одинаковую метрику до сети назначения, то в таблице маршрутизации запоминаются первые шаги всех этих маршрутов,

7. Протокол DHCP

Протокол динамического конфигурирования хостов (Dynamic Host Configuration Pro­tocol, DHCP) автоматизирует процесс конфигурирования сетевых интерфейсов, гарантируя от дублирования адресов за счет централизованного управления их распределением [1].

1. Режимы DHCP

Протокол DHCP работает в соответствии с моделью клиент-сервер. Во время старта системы компьютер, являющийся DHCP-клиентом, посылает в сеть широковещательный за­прос на получение 1Р-адреса. DHCP-сервер откликается и посылает сообщение-ответ, содер­жащее IP-адрес и некоторые другие конфигурационные параметры.

При этом сервер DHCP может работать в разных режимах, включая:

• ручное назначение статических адресов;

• автоматическое назначение статических адресов;

• автоматическое распределение динамических адресов.

Во всех режимах работы администратор при конфигурировании DHCP-ссрвера сооб­щает ему один или несколько диапазонов IP-адресов, причем все эти адреса относятся к од­ной сети, то есть имеют одно и то же значение в поле номера сети.

В ручном режиме администратор, помимо пула доступных адресов, снабжает DHCP- сервер информацией о жестком соответствии IP-адресов физическим адресам или другим идентификаторам клиентских узлов. DHCP-сервер, пользуясь этой информацией, всегда вы­дает определенному DHCP-клиенту один и тот же назначенный ему администратором IP- адрес (а также набор других конфигурационных параметров).

В режиме автоматического назначения статических адресов DHCP-сервер само­стоятельно без вмешательства администратора произвольным образом выбирает клиенту IP- адрес из пула наличных IP-адресов. Адрес дается клиенту из пула в постоянное пользование, то есть между идентифицирующей информацией клиента и его IP-адресом по-прежнему, как и при ручном назначении, существует постоянное соответствие. Оно устанавливается в мо­мент первого назначения DHCP-сервером IP-адреса клиенту. При всех последующих запро­сах сервер возвращает клиенту тот же самый 1Р-адрес.

При динамическом распределении адресов DHCP-сервер выдает адрес клиенту на ог­раниченное время, называемое сроком аренды. Когда компьютер, являющийся DHCP- клиентом, удаляется из подсети, назначенный ему IP-адрес автоматически освобождается. Когда компьютер подключается к другой подсети, то ему автоматически назначается новый адрес. Ни пользователь, ни сетевой администратор не вмешиваются в этот процесс.

Это дает возможность впоследствии повторно использовать этот IP-адрес для назначе­ния другому компьютеру. Таким образом, помимо основного преимущества DHCP - автома­тизации рутинной работы администратора по конфигурированию стека TCP/IP на каждом компьютере, динамическое разделение адресов в принципе позволяет строить IP-сеть, коли­чество узлов в которой превышает количество имеющихся в распоряжении администратора 1Р-адресов.

2. Алгоритм динамического назначения адресов

Администратор управляет процессом конфигурирования сети, определяя два основных параметра конфигурации DHCP-сервера: пул адресов, доступных распределению, и срок аренды.

Срок аренды диктует, как долго компьютер может использовать назначенный 1Р-адрес, перед тем как снова запросить его от DHCP-сервера . Срок аренды зависит от режима работы пользователей сети.

DHCP-сервер должен находиться в одной подсети с клиентами, учитывая, что клиенты посылают ему широковещательные запросы. Для снижения риска выхода сети из строя из-за отказа DHCP-сервера в сети иногда ставят резервный DHCP-сервер.

Иногда наблюдается и обратная картина: в сети нет ни одного DHCP-сервера, его под­меняет связной DHCP-агент - программное обеспечение, играющее роль посредника между DHCP-клиентами и DHCP-серверами. Связной агент переправляет запросы клиентов из сети.

2. DHCP-серверу сети 3. Таким образом, один DHCP-сервер может обслуживать DHCP- клиентов нескольких разных сетей.

Упрощенная схема обмена сообщениями между клиентскими и верными частями DHCP.

1. Когда компьютер включают, установленный на нем DHCP-клиент посылает ограниченное широковещательное сообщение DHCP-поиска (IP-пакет с адресом назначения, состоя­щим из одних единиц, который должен быть доставлен всем узлам данной IР-сети).

2. Находящиеся в сети DHCP-серверы получают это сообщение. Если в сети DHCP-серверы отсутствуют, то сообщение DHCP-поиска получает связной DHCP-агент. Он пересыла­ет это сообщение в другую, возможно, значительно отстоящую от него сеть DHCP- серверу, IP-адрес которого ему заранее известен.

3. Все DHCP-серверы, получившие сообщение DHCP-поиска, посылают DHCP-клиенту, обратившемуся с запросом, свои DHCP-предложения. Каждое предложение содержит IP- адрес и другую конфигурационную информацию. (DHCP-сервер, находящийся в другой сети, посылает ответ через агента.)

4. DHCP-клиент собирает конфигурационные DHCP-предложения ото всех DHCP-серверов.

Как правило, он выбирает первое из поступивших предложений и отправляет в сеть широковещательный DHCP-запрос. В этом запросе содержатся идентификационная информация о DHCP-сервере, предложение которого принято, а также значения приня­тых конфигурационных параметров.

5. Все DHCP-серверы получают DHCP-запрос, и только один выбранный DHCP-сервер посылает положительную DHCP-квитанцию (подтверждение IP-адреса и параметров аренды), а остальные серверы аннулируют свои предложения, в частности возвращают в свои пулы предложенные адреса.

6. DHCP-клиент получает положительную DHCP-квитанцию и переходит в рабочее состояние.

Время от времени компьютер пытается обновить параметры аренды у DHCP-сервера. Если все попытки получить параметры у того же сервера оказываются безуспешными, кли­ент обращается к другому серверу. Если и другой сервер отвечает отказом, то клиент теряет свои конфигурационные параметры и переходит в режим автономной работы. DHCP-клиент может и по своей инициативе досрочно отказаться от выделенных ему параметров.

В сети, где адреса назначаются динамически, нельзя быть уверенным в адресе, которы­ми данный момент имеет тот или иной узел. И такое непостоянство IP-адресов влечет за со­бой некоторые проблемы.

1. Возникают сложности при преобразовании символьного доменного имени в IP-адрес (для серверов, к которым пользователи часто обращаются по символьному имени, назнача­ют статические IP-адреса). Однако в некоторых сетях количество серверов настолько велико, что их ручное конфигурирование становится слишком обременительным. Это привело к разработке усовершен­ствованной версии DNS (так называемой динамической системы DNS), в основе которой лежит согласо­вание информационной адресной базы в службах DHCP и DNS.

2. Трудно осуществлять удаленное управление и автоматический мониторинг интерфейса (например, сбор статистики), если в качестве его идентификатора выступает динамиче­ски изменяемый 1Р-адрес.

3. для обеспечения безопасности сети многие сетевые устройства могут блокировать (фильтровать) пакеты, определенные поля которых имеют некоторые заранее заданные значения. Другими словами, при динамическом назначении адресов усложняется фильтрация пакетов по 1Р-адресам.

Последние две проблемы проще всего решаются отказом от динамического назначения адресов для интерфейсов, фигурирующих в системах мониторинга и безопасности.