Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

309

никаций между выделенными областями. Протокол OSPF работает лишь в

пределах автономной системы.

В стеке протоколов TCP/IP протокол OSPF находится непосредственно

над протоколом IP, его код равен 89. Поэтому если значение поля "Прото-

кол" IP-дейтаграммы равно 89, то данные дейтаграммы являются сообщени-

ем OSPF и передаются OSPF-модулю для обработки. Соответственно размер

OSPF сообщения ограничен максимальным размером дейтаграммы.

При передаче OSPF-пакетов фрагментация не желательна, но не за-

прещается. Для передачи статусной информации OSPF использует широко-

вещательные сообщения Hello. Повышение безопасности обеспечивается ав-

торизацией процедур. OSPF-протокол требует резервирования двух группо-

вых адресов: 224.0.0.5 – предназначен для обращения ко всем маршрутиза-

торам, поддерживающим этот протокол; 224.0.0.6 – служит для обращения к

специально выделенному маршрутизатору. Любое сообщение OSPF начина-

ется с 24-октетного заголовка (рисунок 4.22):

Поле "Версия" определяет версию протокола (= 2). Поле "Тип" иден-

тифицирует функцию сообщения, в частности: 1– Hello (используется для

проверки доступности маршрутизатора); 2 – Описание базы данных (тополо-

гия); 3 – Запрос состояния канала; 4 – Изменение состояния канала; 5– Под-

тверждение получения сообщения о статусе канала.

Поле "Длина пакета" указывает длину блока в октетах, включая заго-

ловок. "Идентификатор области" – 32-битный код, задающий область, ко-

торой данный пакет принадлежит. Все OSPF-пакеты ассоциируются с той

или иной областью. Большинство из них не преодолевает более одного шага.

Пакеты, перемещающиеся по виртуальным каналам, помечаются идентифи-

катором опорной (магистральной) области (backbone) 0.0.0.0.

Поле "Контрольная сумма" содержит проверочную сумму IP-пакета,

включая поле типа идентификации. Поле "Тип идентификации" может

принимать значения 0 при отсутствии контроля доступа, и 1 при его нали-

чии. В дальнейшем функции поля предполагается расширить.

Рисунок 4.22 – Формат заголовка сообщений для протокола маршрутизации OSPF

Компьютерные сети

310

Для взаимообмена данными между соседними маршрутизаторами

протокол OSPF использует сообщения типа Hello. Важную функцию в этих

сообщениях выполняет однобайтное поле "Опции", служащее для объявле-

ния состояния канала и описания базы данных Структура пакетов этого типа

показана на рисунке 4.23.

Особую роль в поле "Опции" играют младшие биты E и Т: Бит E ха-

рактеризует возможность внешней маршрутизации и имеет значение только

в сообщениях типа Hello, в остальных сообщениях этот бит должен быть об-

нулен. Если E=0, то данный маршрутизатор не будет посылать или прини-

мать маршрутную информацию от внешних автономных систем. Бит T оп-

ределяет сервисные возможности маршрутизатора. Если T=0, это означает,

что маршрутизатор поддерживает только один вид услуг (тип сервиса

TOS=0) и он не пригоден для маршрутизации с учетом вида услуг. Такие

маршрутизаторы, как правило, не используются для транзитного трафика.

Поле "Сетевая маска" сообщения Hello соответствует маске подсети

данного интерфейса. Например, если интерфейс принадлежит сети класса B

и третий байт адреса служит для выделения нужной подсети, то сетевая мас-

ка будет иметь вид 0xFFFFFF00.

Поле "Время между Hello" содержит значение времени в секундах,

между сообщениями Hello. Поле "Опции" характеризует возможности, ко-

торые предоставляет данный маршрутизатор. Поле "Приоритет" задает уро-

вень приоритета маршрутизатора, используемый при выборе резервного

(backup) маршрутизатора. Если приоритет равен нулю, данный маршрутиза-

тор никогда не будет реализован в качестве резервного. Поле "Время от-

ключения маршрутизатора" определяет временной интервал в секундах,

по истечении которого "молчащий" маршрутизатор считается вышедшим из

Рисунок 4.23 – Формат сообщения Hello в протоколе OSPF

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

311

строя. IP-адреса маршрутизаторов, записанные в последующих полях, ука-

зывают место, куда следует послать данное сообщение. Поля "IP-адрес со-

седа k" образуют список адресов соседних маршрутизаторов, откуда за по-

следнее время были получены сообщения Hello.

Маршрутизаторы обмениваются сообщениями из баз данных OSPF,

чтобы инициализировать, а в дальнейшем актуализовать свои базы данных,

характеризующие топологию сети. Обмен происходит в режиме клиент-

сервер. Клиент подтверждает получение каждого сообщения. Формат пере-

сылки записей из базы данных изображен на рисунке 4.24.

Поля, начиная с "Тип канала", повторяются для каждого описания ка-

нала. Если размер базы данных велик, ее содержимое может пересылаться по

частям. Для реализации этого используются биты I и М. Бит I устанавлива-

ется в 1 в стартовом сообщении, а бит M принимает единичное состояние

для сообщений, которые являются продолжением. Бит S определяет, кем по-

слано сообщение (S=1 для сервера, S=0 для клиента, этот бит иногда имеет

имя MS).

Поле "Номер сообщения по порядку" служит для контроля пропу-

щенных в процессе обмена информацией блоков. Первое сообщение содер-

жит в этом поле случайное целое число M, последующие: M+1, M+2,...M+L.

Поле "Тип канала" может принимать значения, приведенные в таблице 4.2.

Поле "Идентификатор канала" указывает вид идентификатора, в качестве

которого может быть IP-адрес маршрутизатора или сети. Маршрутизатор,

объявляющий канал, определяет адрес этого маршрутизатора. Поле "Поряд-

ковый номер канала" позволяет маршрутизатору контролировать порядок

прихода сообщений и их потерю. Поле "Возраст канала" задает время в се-

кундах с момента установления связи. После обмена сообщениями с соседя-

Рисунок 4.24 – Формат OSPF-сообщений о маршрутах

Компьютерные сети

312

ми маршрутизатор может выяснить, что часть данных в его базе устарела.

Он может послать своим соседям запрос с целью получения свежей мар-

шрутной информации о каком-то конкретном канале связи. Сосед, получив-

ший запрос, высылает необходимую информацию.

Таблица 4.2 – Коды типов состояния каналов (LS)

LS–тип Описание объявления о маршруте

1 Описание каналов маршрутизатора, т.е. состояния его интерфейсов.

Описание сетевых каналов. Это перечень маршрутизаторов, непосредст-

венно связанных с сетью.

3 или 4

Сводное описание каналов, куда входят маршруты между отдельными об-

ластями сети. Информация поступает от пограничных маршрутизаторов

этих областей. Тип 3 приписан маршрутам, ведущим к сетям, а тип 4 ха-

рактеризует маршруты, ведущие к пограничным маршрутизаторам авто-

номной системы.

Описания внешних связей автономной системы. Такие маршруты начи-

наются в пограничных маршрутизаторах AS.

Маршрутизаторы посылают широковещательные (или групповые) со-

общения об изменении состояния своих непосредственных связей. Сообще-

ния об изменениях маршрутов могут быть вызваны следующими причинами:

1) возраст маршрута достиг предельного значения;

2) изменилось состояние интерфейса;

3) произошли изменения в маршрутизаторе сети;

4) произошло изменение состояния одного из соседних маршрутиза-

торов;

5) изменилось состояние одного из внутренних маршрутов (появле-

ние нового, исчезновение старого и т.д.);

6) изменение состояния межзонного маршрута;

7) появление нового маршрутизатора, подключенного к сети;

8) вариация виртуального маршрута одним из маршрутизаторов;

9) возникли изменения одного из внешних маршрутов;

10) маршрутизатор перестал быть пограничным для данной автоном-

ной системы (например, перезагрузился).

Маршрутизатор, получивший OSPF-пакет, посылает подтверждение

его приема. Возможно подтверждение одним пакетом получения нескольких

объявлений о состоянии линий. Адресом места назначения этого пакета мо-

жет быть индивидуальный маршрутизатор, их группа или все маршрутиза-

торы автономной системы.

Объявление сетевых связей относится к типу 2 кодов состояния кана-

лов. Сообщения посылаются для каждой транзитной сети в автономной сис-

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

313

теме. Транзитной считается сеть, которая имеет более одного маршрутизато-

ра и административная политика автономной системы позволяет передавать

через свои сети транзитный трафик других AS. Сообщение о сетевых связях

должно содержать информацию обо всех маршрутизаторах, подключенных к

сети, включая тот, который рассылает эту информацию. Расстояние от сети

до любого подключенного маршрутизатора равно нулю для всех видов сер-

виса (TOS), поэтому поля TOS и метрики в этих сообщениях отсутствуют.

Информация об адресатах в пределах автономной системы передается

LS-сообщениями типа 3 и 4. Для IP-сетей используется тип 3. В этом случае

в качестве идентификатора состояния канала применяется IP-адрес сети. Ес-

ли же адресатом является пограничный маршрутизатор данной AS, то ис-

пользуется LS-сообщение типа 4, а в поле идентификатора состояния канала

записывается OSPF-идентификатор этого маршрутизатора.

Объявления внешних маршрутов относится к пятому типу. Эта ин-

формация рассылается пограничными маршрутизаторами. Сведения о каж-

дом внешнем адресате, известном маршрутизатору, посылаются независимо.

Такой вид описания используется и для маршрутов по умолчанию, для ко-

торых идентификатор состояния канала устанавливается равным 0.0.0.0.

Маршрутная таблица OSPF включает следующие поля:

 IP-адрес места назначения и маску;

 тип места назначения (сеть, граничный маршрутизатор и т.д.);

 тип функции (возможен набор маршрутизаторов для каждой из функ-

ций TOS);

 область (описывает область, связь с которой ведет к цели; возможно

несколько записей данного типа, если области действия граничных маршру-

тизаторов перекрываются);

 тип пути (характеризует путь как внутренний, межобластной или

внешний, ведущий к автономной системе AS);

 цена маршрута до цели;

 очередной маршрутизатор, куда следует послать дейтаграмму;

 объявляющий маршрутизатор (используется для межобластных обме-

нов и для связей автономных систем друг с другом).

К преимуществам протокола маршрутизации OSPF следует отнести:

1) возможность применения для любого получателя нескольких мар-

шрутных таблиц, по одной на каждый вид IP-операции;

2) каждому интерфейсу присваивается безразмерная цена, учитывающая

пропускную способность, время транспортировки сообщения; собственная

цена (коэффициент качества) может быть присвоена любой IP-операции;

3) при существовании эквивалентных маршрутов OSFP распределяет по-

ток равномерно по этим маршрутам;

4) поддерживается адресация подсетей (разные маски для разных мар-

Компьютерные сети

314

шрутов);

5) при связи точка-точка не требуется IP-адрес для каждого из конечных

интерфейсов;

6) применение групповой рассылки вместо широковещательных сообще-

ний снижает загрузку значительной части сегментов.

Недостаток протокола OSPF состоит в том, что трудно получить ин-

формацию о предпочтительности каналов для узлов, поддерживающих дру-

гие протоколы, или протоколы со статической маршрутизацией. Кроме того,

OSPF является только внутренним протоколом.

4.4.4. Протоколы внешней маршрутизации

Маршрутизация между автономными системами осуществляется по-

граничными (Border) маршрутизаторами, таблицы маршрутов которых

составляются с помощью протоколов внешней машрутизации EGP (Exterior

Gateway Protocol). Сложность внешней маршрутизации состоит в том, что у

разных автономных систем возможно использование различных метрик и

ограничений на прокладку путей, что не позволяет разработать эффективный

алгоритм маршрутизации. Кроме того, при расчете маршрутов протоколы

внешней маршрутизации должны учитывать не только топологию сети, но и

политические ограничения, вводимые администрацией автономных систем

на маршрутизацию через свои сети трафика других автономных систем. На-

пример, пакеты (из соображений безопасности) не должны проходить тран-

зитом через некоторые автономные системы, хотя путь к получателю по та-

кому маршруту является более коротким или экономичным. Необходимые

ограничения вынуждены вноситься на каждом отдельном маршрутизаторе

администратором сети при начальной конфигурации вручную или с помо-

щью скриптов.

В настоящее время известны два типа протоколов внешней маршрути-

зации: BGP (Border Gateway Protocol) и EGP (Exterior Gateway Protocol).

Протокол внешней маршрутизации EGP характеризуется следующими при-

знаками::

 использование механизма установления отношений между маршрути-

заторами;

 применение маршрутизаторами EGP специального механизма для оп-

ределения статуса своих партнеров по протоколу;

 периодический обмен информацией между маршрутизаторами EGP о

достижимости сетей посредством передачи сообщений об обновлениях мар-

шрутов.

В процессе установления взаимных отношений, а также для выполнения

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

315

обмена маршрутной информацией, маршрутизаторы EGP передают специ-

альные сообщения с подтверждением их корректного приема. В зависимости

от ситуации, передаются сообщения, содержащие следующее:

 информацию о соседях (Neighbor Acquisition Messages);

 сведения о достижимости соседей (Neighbor Reachability Messages);

 запрос данных о состоянии маршрута (Poll Request Messages);

 сведения об изменении маршрута (Routing Update Messages).

Внешние маршрутизаторы могут находиться в активном или пассивном

состоянии. В активном состоянии маршрутизатор периодически посылает

сообщения Hello вместе с обновлениями маршрутов и ожидает ответа от со-

седа. Если маршрутизатор находится в пассивном режиме, он может исполь-

зовать содержимое поля STATUS принимаемого сообщения Hello для опре-

деления состояния соседа вместо того, чтобы периодически опрашивать его.

Обычно оба соседних маршрутизатора находятся в активном состоянии.

Протоколу EGP свойственен ряд существенных недостатков.

1. Маршрутизатор EGP представляет только один путь до каждой се-

ти. Это делает невозможным использование процедур динамического пере-

распределения нагрузки между параллельными каналами.

2. Маршрутизатор EGP не поддерживает внеклассовые сети.

Протокол пограничных шлюзов BGP (Border Gateway Protocol) от-

носится к более новым, по сравнению с протоколом EGP, протоколам внеш-

ней маршрутизации автономных систем. Хотя оба этих протокола построены

по примерно одинаковой схеме, однако протокол BGP имеет ряд существен-

ных преимуществ по отношению к EGP.

Отличительная особенность протокола BGP заключается в использо-

вании маршрутно-векторной маршрутизации (path-vector routing). Это

связано с тем, что у разных автономных систем могут быть различные мет-

рики и ограничения. Поэтому при маршрутно-векторном способе не исполь-

зуют метрику маршрутизации. Маршрутизаторы просто обмениваются ин-

формацией о том, к каким сетям у них имеется доступ и какие автономные

системы нужно пересечь, чтобы достичь места назначения. Маршрутизатор

взаимодействует с другими маршрутизаторами по протоколу BGP только в

том случае, если администратор явно указал при конфигурации, что эти

маршрутизаторы являются его соседями.

Протокол BGP применяется для передачи информации о внутренних

маршрутах между автономными системами. Он может быть использован для

определения:

 маршрутов, которые соединяют данную автономную систему с одной

или несколькими другими автономными системами (Inter-autonomous system

routing);

 маршрута внутри автономной системы, когда несколько маршрутиза-

Компьютерные сети

316

торов участвуют в процессе определения маршрута (Intra-autonomous system

routing );

 маршрутов, проходящих через автономную систему, которая не участ-

вует в процессе BGP (Pass-through autonomous system).

С целью обеспечения информационного обмена маршрутизаторы BGP

используют сообщения стандартной формы. Для передачи таких сообщений

в протоколе BGP предусматривается применение транспортного протокола

TCP с портом 179. Сообщения BGP передаются в следующих случаях:

 начало сеанса (Open), используется для установки соседских отноше-

ний с другим маршрутизатором;

 для периодической проверки состояния соседа (Keep Alive);

 при изменении содержания таблицы маршрутов автономной системы

(Update);

 при возникновении аварийной ситуации (Notification).

Каждое сообщение BGP состоит из заголовка и ряда специфических по-

лей. Заголовок имеет фиксированную длину (19 байтов). Шестнадцать из

них занимает маркер, два – длина сообщения и один байт – тип сообщения.

В поле маркера может быть помещена информация, необходимая для вы-

полнения операции аутентификации абонента. Отправитель может запол-

нить это поле значением, которое будет использоваться как часть механизма

аутентификации, позволяющая получателю проверить подлинность отправи-

теля. Если установление подлинности абонента не требуется, маркер запол-

няется единицами. В поле "Длина сообщения" помещается размер сообще-

ния (вместе с заголовком), выраженный в байтах, а в поле "Тип" заносится

код сообщения. Установлено четыре типа сообщений.

Первое сообщение, которое передается маршрутизатором BGP после

установления соединения – TCP-сообщение OPEN. При успешном его про-

хождении противоположный маршрутизатор должен откликнуться сообще-

нием KEEPALIVE ("Еще жив"). После этого возможны любые другие сооб-

щения BGP.

После получения сообщения OPEN BGP-маршрутизатор должен за-

дать величину времени сохранения взаимодействия маршрутизаторов – ин-

тервал времени между последовательными сообщениями об обновлении или

подтверждении взаимодействия. Обычно выбирается меньшее из полученно-

го в сообщении OPEN значения и собственного аналогичного параметра, оп-

ределенного при конфигурации системы (в диапазоне 0…3 с). Время сохра-

нения регламентирует максимальный интервал в секундах между сообще-

ниями KEEPALIVE и UPDATE или между двумя UPDATE-сообщениями.

Каждому узлу в рамках BGP приписывается 4-октетный BGP-

идентификатор. Он задается при инсталляции и идентичен для всех интер-

фейсов локальной сети. Если, например, два узла установили два канала свя-

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

317

зи друг с другом, то согласно правилам должен будет сохранен канал, начи-

нающийся в узле, BGP-идентификатор которого больше. Предусмотрен ме-

ханизм разрешения проблемы при равных идентификаторах.

Однобайтный код идентификации позволяет организовать систему

доступа. Если он равен нулю, маркер всех сообщений заполняется единица-

ми, а поле идентификационных данных имеет нулевую длину. При неравном

нулю коде идентификации определяется процедура доступа и алгоритм вы-

числения кодов поля маркера. Для передачи маршрутной информации между

BGP-шлюзами об изменении маршрутов используется сообщения типа

UPDATE . Этот тип сообщения позволяет проинформировать об одном но-

вом маршруте или объявить о закрытии группы маршрутов, причем объяв-

ление об открытии нового и закрытии старых маршрутов возможно в преде-

лах одного сообщения.

4.4.5. Бесклассовая междоменная маршрутизация CIDR

Выше было показано, что Интернет-адреса разделены на пять классов

(см. п. 4.1.3), из которых для адресации хостов применяются три: А, В и С.

Недостатком классовой системы адресации является неравномерное исполь-

зование адресного пространства внутри класса. Так, максимально возможное

количество сетей класса В равно 2

 17 000, а для сетей класса С оно со-

ставляет 2

, т.е. более двух миллионов. В связи с быстрым ростом сети Ин-

тернет и спроса на адреса класса В адресное пространство этого класса прак-

тически распределено, хотя во многих случаях пространство адресов исполь-

зуется не эффективно. Например, если потребителю требуется построение

сети с 860-тью хостами, то ему может быть выделен либо один адрес класса

В, либо четыре адреса класса С. В первом случае из 2

возможных адресов

компьютеров будет применяться только восьмая часть. Остальные же адреса

(свыше 63 тыс.) никем другим не могут быть использованы.

Выделение потребителю группы адресов класса С вместо одного адре-

са класса В является более рациональным, так как в этом случае невостребо-

ванными окажутся лишь 1024–860=164 адреса, что вполне приемлемо. Од-

нако это приведет к увеличению количества записей в таблицах маршрути-

заторов в четыре раза. Стремительный рост таблиц магистральных маршру-

тизаторов в начале 90-х годов ХХ столетия с ростом количества компьюте-

ров, подключенных к Интернету (сотни тысяч записей маршрутов), умень-

шало быстродействие маршрутизаторов и приводило к сбоям в их работе.

Для решения этих проблем в 1993 г. была разработана технология бесклас-

совой междоменной маршрутизации CIDR (Classless Inter-Domain Routing).

Термин "бесклассовая" используется потому, что решения о выборе маршру-

Компьютерные сети

318

тов принимаются на основе масок, накладываемых на полный 32-битный IP-

адрес. При этом не существует различия между адресами класса А, В или С.

В соответствии с технологией CIDR адреса выделяются централизова-

но поставщику Интернет-услуг (провайдеру) либо организации, планирую-

щей создание крупной сети. Причем, каждому провайдеру (организации)

вместо одного набора адресов класса В, выделяется подряд несколько блоков

адресов класса С. За счет этого существенно экономится пространство адре-

сов класса В. Количество адресов класса С выделяется достаточным для ну-

мерации всех сетей, которые организация планирует в будущем подключить

к Интернету. При таком подходе адреса всех сетей каждого поставщика ус-

луг имеют общую группу битов в старшей части адреса – префикс. В связи с

этим маршрутизация на магистралях объединенной сети может произво-

диться на основе префиксов, а не полных адресов сетей. Группирование ад-

ресов способствовало уменьшению объема таблиц в маршрутизаторах всех

уровней в несколько раз и повышению пропускной способности сети Интер-

нет.

Технология CIDR позволяет заменить традиционное использование

классов адресов протокола IP на обобщенный сетевой префикс. Вместо того

чтобы по первым двум или трем битам идентифицировать класс IP-адреса,

маршрутизаторы для определения границ между номером сети и номером

хоста в IP-адресе выделяют сетевой префикс, задаваемый маской, которая

рассылается вместе с адресом. В связи с этим при использовании технологии

CIDR маршрутная информация рассылается (анонсируется) совместно с се-

тевым префиксом. Длина сетевого префикса помогает определить число

старших битов, соответствующих номеру сети в записи таблицы маршрути-

зации.

Провайдер выделяет каждому клиенту из своего набора адресов под-

сеть переменной длины. Таким образом, выделенный блок адресов может

быть разбит произвольным образом на префикс сети и суффикс хоста. Не-

смотря на то, что группе подключенных к одной сети компьютеров могут

быть назначены последовательные адреса, диапазон этих адресов не обяза-

тельно должен принадлежать одному из предопределенных классов. Пред-

ложенный метод разделения дает системному администратору определен-

ную свободу при назначении адресов, поскольку он может точно определить

количество битов, занимаемых префиксом IP-адреса.

Поскольку для определения блоков адресов в CIDR нужно указать два

значения – начальный адрес и маску, – была предложена специальная со-

кращенная форма записи, позволяющая компактно выразить эти два значе-

ния. Официально ее назвали формой записи CIDR (CIDR notation), однако

чаще всего ее называют записью через косую (slash notation). В сокращенной

форме записи вначале указывается начальный адрес блока, представленный