Дибров М.В. Маршрутизаторы

Подождите немного. Документ загружается.

2 Принципы маршрутизации

2.1 Определение маршрутизации

2.1.1 Маршрутизируемые и маршрутизирующие протоколы

Протокол IP является маршрутизируемым протоколом сети Internet. Па-

кеты маршрутизируются по оптимальному пути от сети отправителя к сети

получателю на основе уникальных идентификаторов – IP адресов.

Схожее звучание, особенно в английском написании, двух терминов

«маршрутизируемый протокол» (routed protocol) и «маршрутизирующий про-

токол» (routing protocol) нередко приводит к путанице. Стоит дать определе-

ния каждому термину.

Маршрутизируемый протокол – это любой сетевой протокол, адрес сетевого

уровня которого предоставляет достаточное количество информации для до-

ставки пакета от одного сетевого узла другому на основе используемой схемы

адресации. Примеры маршрутизируемых протоколов приведены на рисунке

2.1. В их число входят:

– Internet протокол (IP);

– протокол межсетевого пакетного обмена (Internetwork Packet exchange

– IPX);

– протокол AppleTalk (коммуникационный протокол компании Apple);

– протокол DECnet (коммуникационный протокол компании DEC).

Token

Ring

Token

Ring

IP 15.16.42.8

AppleTalk 1.129

IP 15.17.42.8

DECnet 3.33

AppleTalk 100 .119IPX 123.00e0.1efc.0b01

IP 15.16.4.8

IPX 123 .00e0.1efc .0b01

DECnet 19.15

Novell DECnet

Apple IP

Таблицы маршрутизации

Рисунок 2.1 – Маршрутизируемые протоколы

Маршрутизирующий протокол (протокол маршрутизации) – это протокол, ко-

торый поддерживает маршрутизируемые протоколы и предоставляет меха-

низмы обмена маршрутной информацией. Протокол маршрутизации позволя-

ет маршрутизаторам обмениваться информацией друг с другом для обновле-

ния записей и поддержки таблиц маршрутизации. Протоколы маршрутизации

это протоколы обмена маршрутной информацией. Примеры протоколов

маршрутизации стека TCP/IP:

– протокол маршрутной информации (Routing Information Protocol –

RIP)

– усовершенствованный протокол маршрутизации внутреннего шлюза

(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol – EIGRP);

– открытый протокол предпочтения кратчайшего пути (Open Shortest

Path First –OSPF).

Основываясь на этих двух определениях можно дать определение

маршрутизации.

Маршрутизация – это процесс, при котором осуществляется передача

пакетов маршрутизируемого протокола, при помощи протокола маршрутиза-

ции от логического отправителя логическому получателю.

Маршрутизация является функцией третьего уровня модели OSI. Она

основана на иерархической схеме, которая позволяет группировать отдельные

адреса и работать с группами как с единым целым до тех пор, пока не потре-

буется установить индивидуальный адрес для окончательной доставки дан-

ных (Рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Принцип работы протокола сетевого уровня

2.1.2 Основные функции маршрутизаторов

Основным устройством, отвечающим за осуществления процесса марш-

рутизации, является маршрутизатор.

Маршрутизатор выполняет две ключевые функции:

– Маршрутизация – поддержание таблицы маршрутизации и обмен ин-

формацией об изменениях в топологии сети с другими маршрутизаторами.

Эта функция реализуется с помощью одного или нескольких протоколов

маршрутизации либо при помощи статически настроенных таблиц маршрути-

зации.

– Коммутация – перенаправление пакетов с входного интерфейса марш-

рутизатора на выходной интерфейс в зависимости от таблицы маршрутиза-

ции. При необходимости маршрутизатор может произвести переупаковку IP

пакета из одного вида пакетов канального уровня в другой.

В настоящее время из-за распространения технологии Ethernet на маги-

стральные каналы передачи данных, в которых в качестве физического физи-

ческой среды используется оптоволоконный кабель, широкое распростране-

ние получили коммутаторы третьего уровня. Такие коммутаторы, так же как

и маршрутизаторы строят таблицы маршрутизации и на их основе осуще-

ствляют маршрутизацию сетевого трафика.

Необходимо понимать, что в механизме коммутации пакетов маршру-

тизатором и коммутатором третьего уровня есть серьезные различия. На ри-

сунке 2.3 приводится пример сетей, для маршрутизации в которых использу-

ются маршрутизаторы и коммутаторы третьего уровня.

Ethernet

EthernetEthernet

Ethernet

Frame RelayPPP

Рисунок 2.3 – Маршрутизаторы и коммутаторы третьего уровня

На рисунке видно, что маршрутизатор осуществляет коммутацию паке-

тов между интерфейсами с различными протоколами второго уровня. Други-

ми словами маршрутизатор производит переупаковку полезной информации

из поступающих к нему пакетов различных протоколов второго уровня.

Например, из Ethernet в PPP или Frame Relay.

Коммутаторы третьего уровня могут только просматривать информа-

цию сетевого уровня находящуюся в поступающих на его интерфейсы паке-

тах. На основе полученной информации коммутатор третьего уровня произ-

водит коммутацию пакета на выходной интерфейс. Коммутатор третьего

уровня не производит переупаковку полезной информации из поступающих к

нему пакетов. Следовательно, применение коммутаторов третьего уровня воз-

можно только в сетях Ethernet. Однако благодаря высокой производительно-

сти коммутаторы третьего уровня осуществляют быструю маршрутизацию

пакетов в сетях с пропускной способностью каналов связи до 1 Гбит/с и вы-

ше.Маршрутизирующие протоколы и алгоритмы работы маршрутизации на

маршрутизаторах и коммутаторах третьего уровня одинаковые. По этой при-

чине далее мы будем понимать под маршрутизаторами как их самих, так и

коммутаторы третьего уровня.

2.2 Концептуальные основы маршрутизации

Алгоритмы работы маршрутизаторов могут быть как статическими, так

и динамическими. При статической маршрутизации конфигурирование

производиться вручную. При динамической маршрутизации обменом инфор-

мации управляют протоколы маршрутизации, благодаря им маршрутизаторы

могут отслеживать топологию сети и корректировать маршруты.И статиче-

ская, и динамическая конфигурации, а также их комбинирование преследуют

одну и туже цель – обеспечить обмен информацией между удаленными узла-

ми.

2.2.1 Таблицы маршрутизации

Все маршрутизаторы должны иметь локальные таблицы маршрутиза-

ции. Они используются маршрутизатором при передаче информации для

определения наилучшего пути от источника к пункту назначения. Таблица

маршрутизации (Пример 2.1) содержит следующие записи:

– Механизм, по которому был получен маршрут.

– Логический получатель в виде сети или подсети.

– Административное расстояние.

– Метрика маршрута.

– Адрес интерфейса маршрутизатора расположенного на расстоянии

одной пересылки, через которого доступна сеть получатель.

– Время присутствия маршрута в таблице;

– Выходной интерфейс маршрутизатора, через который доступна сеть

получатель.

Пример 2.1 – Таблица маршрутизации маршрутизатора Cisco

Codes: C – connected, S – static, I – IGRP, R – RIP, M – mobile, B – BGP

D – EIGRP, EX – EIGRP external, O – OSPF, IA – OSPF inter area

N1 – OSPF NSSA external type 1, N2 – OSPF NSSA external type 2

E1 – OSPF external type 1, E2 – OSPF external type 2, E – EGP

i – IS–IS, L1 – IS–IS level–1, L2– IS–IS level–2, ia– IS–IS inter area

* – candidate default, U – per–user static route, o – ODR

P – periodic downloaded static route

Gateway of last resort is 172.16.0.1 to network 0.0.0.0

172.16.0.0/28 is subnetted, 1 subnets

C 172.16.0.0 is directly connected, Serial0

10.0.0.0/8 is variably subnetted, 9 subnets, 3 masks

D 10.89.1.64/26 [90/5639936] via 10.93.1.18, 00:04:50, Serial2

C 10.93.1.16/28 is directly connected, Serial2

D 10.89.1.0/26 [90/5639936] via 10.93.1.2, 00:05:15, Serial1

D 10.93.1.0/26 is a summary, 00:08:57, Null0

C 10.93.1.0/28 is directly connected, Serial1

C 10.95.0.32/28 is directly connected, Loopback0

D 10.93.1.32/28 [90/5514496] via 10.93.1.2, 00:04:51, Serial1

[90/5514496] via 10.93.1.18, 00:04:51, Serial2

D 10.95.0.44/30 [90/5639936] via 10.93.1.18, 00:04:51, Serial2

D 10.95.0.40/30 [90/5639936] via 10.93.1.2, 00:05:16, Serial1

D* 0.0.0.0/0 [90/5514496] via 172.16.0.1, 00:00:15, Serial0

2.2.2 Административное расстояние

В процессе маршрутизации производиться выбор оптимального марш-

рута к сетям получателям. Так как одновременно на маршрутизаторе может

быть запущено сразу несколько протоколов маршрутизации, необходим ме-

тод выбора между маршрутами, полученными от разных протоколов маршру-

тизации. В маршрутизаторах для выбора маршрутов полученных от разных

протоколов маршрутизации используется концепция административного рас-

стояния.

Административное расстояние рассматривается как мера достоверности

источника информации о маршруте. Это имеет смысл тогда, когда маршрути-

затор имеет информацию о маршруте до сети получателя от нескольких про-

токов маршрутизации.

Малые значения величины административного расстояния предпочти-

тельнее больших значений. Стандартные значения административного рас-

стояния устанавливаются такими, чтобы значения, вводимые вручную, были

предпочтительнее, значений полученных автоматически, и протоколы марш-

рутизации с более сложными метриками были предпочтительнее протоколов

маршрутизации, имеющих простые метрики. В таблице 2.1 представлены

административные расстояния, которые применяются в маршрутизаторах

Cisco для различных протоколов маршрутизации.

Таблица 2.1 – Административные расстояния в маршрутизаторах Cisco

Источник информации о

маршруте

Стандартное административное

расстояние

Прямое соединение 0

Статический маршрут 1

Суммарный маршрут EIGRP 5

Внешний BGP 20

Внутренний EIGRP 90

IGRP 100

OSPF 110

IS–IS 115

RIPv1 RIPv2 120

Внешний EIGRP 170

Внутренний BGP 200

Неизвестный 255

2.2.3 Метрики маршрутов

Определение того, какой собственно маршрут является наилучшим пу-

тем к сети получателю, является особенностью присущей любому протоколу.

Каждый протокол имеет свою меру того, что является лучшим. Маршрутиза-

торы характеризуют маршрут к сети с помощью метрики маршрута.

Процесс маршрутизации выбирает маршрут, обладающий наименьшим

значением метрики.

Метрики могут быть вычислены на основе одной или нескольких харак-

теристик. Наиболее часто в алгоритмах маршрутизации используются следу-

ющие параметры:

– Ширина полосы пропускания представляет собой средство оценки

объема информации, который может быть передан по каналу связи;

– Задержка – промежуток времени, необходимый для перемещения па-

кета по каждому из каналов связи от отправителя к получателю. Задержка за-

висит от пропускной способности промежуточных каналов, размера очередей

в портах маршрутизаторов, загрузки сети и физического расстояния;

– Загрузка – средняя загруженность канала связи в единицу времени;

– Надежность – относительное количество ошибок на канале связи;

– Количество переходов – количество маршрутизаторов, которые дол-

жен пройти пакет, прежде чем он достигнет пункта назначения;

– Стоимость – значение, обычно вычисляемое на основе пропускной

способности, денежной стоимости или других единиц измерения, назначае-

мых администратором.

К пункту назначения может существовать множество путей, и все они

могут отображаться в таблице маршрутизации. Если существует более чем

один путь к узлу получателю, протокол маршрутизации должен выбрать один

путь как наилучший и поместить его в таблицу маршрутизации. Однако мно-

гие протоколы маршрутизации поддерживают механизм балансировки на-

грузки, при котором в таблицу маршрутизации могут быть записаны несколь-

ко возможных маршрутов к узлу получателю, и передача трафика будет осу-

ществляться по каждому из маршрутов.

2.2.4 Построение таблицы маршрутизации

Одной из основных задач маршрутизаторов является построение табли-

цы маршрутизации на основе данных полученных от протоколов маршрути-

зации и настройках введенных вручную.

Выбор маршрута для занесения в таблицу маршрутизации должен осно-

вываться на следующих критериях:

– Доступность IP адреса перехода. Процесс маршрутизации заключает-

ся в последовательной передачи трафика от отправителя к получателю.

Маршрутизатор должен знать IP адрес следующего маршрутизатора в цепоч-

ки передачи трафика.

– Метрика маршрута. Если переход возможен, то протокол маршрутиза-

ции выбирает наилучший возможный маршрут передачи. Критерием выбора

маршрута является минимальная метрика маршрута.

– Префикс. Маршрутизатор рассматривает длину префикса (маска под-

сети), если имеется несколько маршрутов до сети получателя, но с разными

прификсами, то в таблицу маршрутизации заносятся все маршруты.

– Административное расстояние маршрута. Если маршрутизатор имеет

более одного маршрута до получателя, критерием выбора для занесения в та-

блицу маршрутизации является минимальное административное расстояние.

После создания таблицы маршрутизации маршрутизатор должен под-

держивать ее точное соответствие реальной топологии сети. Поддержка та-

блиц маршрутизации осуществляется либо администратором сети вручную,

либо с помощью динамических протоколов маршрутизации. Независимо от

того, конфигурируются ли маршруты вручную или с помощью протоколов

маршрутизации, точность отображения маршрутов является ключевым фак-

тором в способности маршрутизатора обеспечивать пересылку данных ее по-

лучателям.

2.3 Механизмы маршрутизации

Существует несколько механизмов маршрутизации, которые маршрути-

затор использует для построения и поддержания в актуальном состоянии сво-

ей таблицы маршрутизации. В общем случае при построении таблицы марш-

рутизации маршрутизатор применяет комбинацию следующих методов

маршрутизации:

– Прямое соединение;

– Статическая маршрутизация;

– Маршрутизация по умолчанию;

– Динамическая маршрутизация.

И хотя каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки,

они не являются взаимоисключающими.

2.3.1 Прямое соединение

Прямое соединение – это маршрут, который является локальным по от-

ношению к маршрутизатору. Если один из интерфейсов маршрутизатора со-

единен, с какой либо сетью напрямую, то при получении пакета, адресован-

ного такой подсети, маршрутизатор сразу отправляет пакет на интерфейс к

которому она подключена, не используя протоколы маршрутизации (Рисунок

2.4).

R4R3

172.16.0.0

r1#show ip route

...

Gateway of last resort is not set

172.16.0.0/24 is subnetted, 3 subnets

C 172.16.0.0 is directly connected, Serial0

C 172.16.1.0 is directly connected, Serial1

C 172.16.2.0 is directly connected, Serial2

S2S1

Рисунок 2.4 – Прямое соединение

Прямые соединения всегда являются наилучшим способом маршрути-

зации. Поскольку маршрутизатору всегда известна непосредственно присо-

единенная к нему сеть, пакеты, предназначенные для нее, направляются из

первых рук, и маршрутизатор не полагается на другие средства определения

маршрутов, например на статические или динамические механизмы маршру-

тизации.

2.3.2 Статическая маршрутизация

Статические маршруты – это такие маршруты к сетям получателям, ко-

торые администратор сети вручную вносит в таблицу маршрутизации. Стати-

ческий маршрут определяет IP адрес следующего соседнего маршрутизатора

или локальный выходной интерфейс, который используется для направления

трафика к определенной сети получателю.

Как следует из самого названия, статический маршрут не может быть

автоматически адаптирован к изменениям в топологии сети. Если определен-

ный в маршруте маршрутизатор или интерфейс становятся недоступными, то

маршрут к сети получателю становиться недоступным.

Преимуществом этого способа маршрутизации является то, что он ис-

ключает весь служебный трафик, связанный с поддержкой и корректировкой

маршрутов.

Статическая маршрутизация может быть использована в следующих си-

туациях:

– Когда администратор нуждается в полном контроле маршрутов ис-

пользуемых маршрутизатором;

– Когда необходимо резервирование динамических маршрутов;

– Когда есть сети достижимые единственно возможным путем;

– Когда нежелательно иметь служебный трафик необходимый для об-

новления таблиц маршрутизации, например при использовании коммутируе-

мых каналов связи.

– Когда используются устаревшие маршрутизаторы не имеющие необ-

ходимого уровня вычислительных возможностей для поддержки динамиче-

ских протоколов маршрутизации.

Наиболее предпочтительной топологией для использования статиче-

ской маршрутизации является топология «звезда». При данной топологии

маршрутизаторы, подключенные к центральной точки сети, имеют только

один маршрут для всего трафика, который будет проходить через централь-

ный узел сети. И один или два маршрутизатора в центральной части сети име-

ют статические маршруты до всех удаленных узлов.

Однако со временем такая сеть может вырасти до десятков и сотен

маршрутизаторов с произвольным количеством подключенных к ним подсе-

тей. Количество статических маршрутов в таблицах маршрутизации будет

увеличиваться пропорционально увеличению количества маршрутизаторов в

сети. Каждый раз при добавлении новой подсети или маршрутизатора, адми-

нистратор должен будет добавлять новые маршруты в таблицы маршрутиза-

ции на всех необходимых маршрутизаторах.

При таком подходе может наступить момент, когда большую часть сво-

его рабочего времени администратор будет заниматься поддержкой таблиц

маршрутизации в сети. В этом случае необходимо сделать выбор в сторону

использования динамических протоколов маршрутизации.

Другой недостаток статической маршрутизации проявляется при изме-

нении топологии корпоративной сети. При этом администратор должен вруч-

ную вносить все изменения в таблицы маршрутизации маршрутизаторов, на

которые повлияли изменения в топологии сети.

2.3.3 Настройка статических маршрутов

Для конфигурации статического маршрута используется команда ip

route (Пример 2.2).

Пример 2.2 – Синтаксис команды ip route

(config) ip route prefix mask {ip-address | interface-type interface-number

[ip-address]} [dhcp] [distance] [name] [permanent] [tag tag]

(config) no ip route prefix mask

Описание параметров команды ip route приводиться в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Параметры команды ip route

Параметр Описание

prefix Префикс сети получателя.

mask Маска сети получателя.

ip-address IP адрес следующего маршрутизатора

который может быть использован для

достижения сети получателя.

interface-type interface-number Тип и номер интерфейса, на который

следует передать пакет для отправки

сети получателю.

dhcp Позволяет серверу DHCP распростра-

нять статический маршрут как марш-

рут по умолчанию.

distance Административное расстояние марш-

рута.

name Назначение имени указанному марш-

руту.

permanent Указание того, что маршрут не может

быть удален из таблицы маршрутиза-

ции, если интерфейс, на который он

указывает становиться недоступным.

tag tag Ярлык для использования при контро-

ле перераспределения маршрутов.