Обоснование выбора протокола маршрутизации

 

Протоколы маршрутизации выбираются, исходя из характеристик, перечисленных ниже.

Оптимальность описывает способности протокола и алгоритма по выбору наиболее оптимального маршрута на основании метрик и их весовых значений, используемых при расчетах. Например, некий протокол может использовать счетчик узлов и задержки для определения метрик; задержки имеют более высокий вес при учете окончательного значения, но зато их сложнее рассчитать.

Простота и низкие накладные расходы. Идеальная эффективность работы алгоритма маршрутизации может быть достигнута, когда загрузка процессора и памяти маршрутизатора минимальны. Эта характеристика важна для масштабируемости сети, которая в предельном случае может быть расширена до размеров сети Internet.

Устойчивость и надежность. Алгоритм маршрутизации должен корректно функционировать даже при наличии нестандартных и непредвиденных обстоятельств, таких, как сбой оборудования, высокая загрузка и ошибки эксплуатации.

Быстрая конвергенция. Конвергенцией называется процесс установления договоренности между всеми маршрутизаторами об имеющихся маршрутах. Когда в сети происходят события, оказывающие влияние на доступность маршрутизатора, для установления повторного соединения требуются перерасчеты. Алгоритмы маршрутизации, не обладающие быстрой конвергенцией, могут вызвать сбой или значительную задержку при доставке информации.

Гибкость. Алгоритм и протокол маршрутизации должны быстро адаптироваться к разнообразным изменениям в сети. Изменениями в сети считаются изменения в состоянии устройств, в частности, маршрутизаторов, изменение пропускной способности каналов, изменение размера очередей или сетевой задержки.

Масштабируемость. Некоторые протоколы разработаны таким образом, что могут быть масштабируемы лучше других. Важно помнить, что если планируется расширение сети (или такая возможность в принципе предусматривается), следует отдать предпочтение протоколу EIGRP, нежели RIP.

Первоочередная задача алгоритма маршрутизации при обновлении таблицы маршрутизации состоит в определении наилучшей информации, которая должна быть внесена в таблицу. Алгоритмы маршрутизации используют различные метрики для определения наилучшего маршрута, но каждый алгоритм интерпретирует выбор лучшего варианта пути по-своему. Алгоритм маршрутизации рассчитывает число, называемое метрикой, для каждого сетевого маршрута. Сложные алгоритмы маршрутизации могут основывать выбор маршрута на основе нескольких параметров, объединяя их в одну общую метрику, как показано на рисунке 3.2 Чем меньше метрика, тем лучше выбранный маршрут.

Рисунок 3.2 - Метрики маршрутизации

 

Метрики могут быть вычислены на основе одной или нескольких характеристик. Наиболее часто в алгоритмах маршрутизации используются параметры метрики, которые перечислены ниже.

Ширина полосы пропускания представляет собой средство оценки объема информации, который может быть передан по каналу связи (канал Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с более предпочтителен, чем выделенная линия со скоростью 512 Кбит/с).

Задержка - промежуток времени, необходимый для перемещения пакета по каждому из каналов связи от отправителя получателю. Задержка зависит от пропускной способности промежуточных каналов, размера очередей в портах маршрутизаторов, загрузки сети и физического расстояния.

Загрузка - объем операций, выполняемых сетевым устройством, таким, как маршрутизатор, или средняя загруженность канала связи.

Надежность обычно обозначает относительное значение количества ошибок для каждого из каналов связи.

Счетчик транзитных узлов - количество маршрутизаторов, через которые должен пройти пакет, прежде чем достигнет пункта назначения. Когда пакет проходит через маршрутизатор, значение счетчика узлов увеличивается на единицу. Путь, для которого значение счетчика узлов равно четырем, означает, что данные, отправленные по этому маршруту, пройдут через четыре маршрутизатора, прежде чем будут получены адресатом. Если существует несколько путей, маршрутизатор выбирает тот, для которого значение счетчика узлов наименьшее.

Стоимость - значение, обычно вычисляемое на основе пропускной способности, денежной стоимости или других единиц измерения, назначаемых администратором.

Внутренние и внешние протоколы маршрутизации

Маршрутизаторы используют протоколы маршрутизации для обмена маршрутной информацией. Иными словами, протоколы маршрутизации определяют, как маршрутизируются протоколы передачи данных (т.е. маршрутизируемые). Как показано на рисунке 3.3, двумя семействами протоколов маршрутизации являются протоколы внутренних шлюзов (Interior Gateway Protocol - IGP) и протоколы внешних шлюзов (Exterior Gateway Protocols - EGP). Классификация всех протоколов по этим двум семействам основана на принципе их работы по отношению к автономным системам.

Рисунок 3.3 - Протоколы EGP и IGP

 

Автономной системой (Autonomous System - AS) называется сеть или группа сетей, находящихся под единым административным контролем, как, например, домен Cisco.com. Автономная система состоит из маршрутизаторов, которые для внешнего мира (т.е. для других сетей) выглядят как единая сеть.

Протоколы класса IGP маршрутизируют данные внутри автономных систем. К классу IGP относятся следующие протоколы маршрутизации:

протоколы RIP и RIP V2;

IGRP;

EIGRP;

OSPF;

протокол обмена данными между промежуточными системами (Intermediate system-to-Intermediate System - IS-IS).

Протоколы класса EGP маршрутизируют данные между автономными системами. Протокол BGP является наиболее широко известным представителем класса EGP.

Дистанционно-векторные и протоколы маршрутизации с учетом состояния

Протоколы маршрутизации могут подразделяться по самым разным критериям, например, по сфере применения, т.е. по принадлежности к EGP- или IGP-типу. Другой классификацией, описывающей протоколы маршрутизации, может быть деление по используемым алгоритмам: протокол использует дистанционно-векторный (distanse-vector) алгоритм или работает с учетом состояния канала (link-state)[16]. Если принадлежность маршрутизаторов к EGP- или IGP-типу описывает их физическое взаимодействие, то использование алгоритмов маршрутизации по вектору расстояния или состоянию канала описывает характер взаимодействия маршрутизаторов между собой при рассылке маршрутных обновлений.

Алгоритм дистанционно-векторной маршрутизации определяет направление (вектор) и расстояние (счетчик узлов) для каждого из каналов связи, образующих сеть. При использовании этого алгоритма маршрутизатор периодически (например, каждые 30 секунд) пересылает всю или часть своей таблицы маршрутизации своим соседям. Периодические обновления рассылаются маршрутизатором, использующим дистанционно-векторный алгоритм, даже если не произошли никакие изменения в сети. Получив таблицу маршрутизации от своего соседа, маршрутизатор может проверить уже известные маршруты и внести необходимые изменения на основе полученного обновления. Такой процесс иногда называют «маршрутизацией по слухам», поскольку представление маршрутизатора о структуре сети базируется на данных его соседей. Дистанционно-векторные протоколы маршрутизации основаны на алгоритме Беллмана-Форда (Bellman-Ford) и используют его для поиска наилучшего маршрута.

Дистанционно-векторный алгоритм служит основой для следующих протоколов:

для протокола маршрутной информации (Routing Information Protocol - RIP) - одного из наиболее широко распространенных протоколов IGP-типа, использующего в качестве метрики счетчик узлов;

для протокола маршрутизации внутреннего шлюза (Interior Gateway Routing Protocol - IGRP); корпорация Cisco разработала этот протокол для маршрутизации в больших гетерогенных сетях;

для усовершенствованного протокола маршрутизации внутреннего шлюза (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol - EIGRP), представляющего собой улучшенную версию IGRP от корпорации Cisco; этот протокол имеет исключительно быструю конвергенцию, работает значительно более эффективно, чем его предшественник, и сочетает в себе все преимущества дистанционно-векторных алгоритмов и протоколов с учетом состояния каналов.

Протоколы маршрутизации, использующие алгоритм с учетом состояния каналов, были разработаны для преодоления ограничений, связанных с использованием дистанционно-векторных протоколов. Алгоритм с учетом состояния канала дает возможность протоколам быстро реагировать на изменения сети, рассылать обновления только в случае появления изменений и рассылать периодические обновления (называемые обновлениями состояния канала) через большие промежутки времени, примерно один раз каждые 30 минут. Когда состояние канала изменяется, устройство, обнаружившее такое изменение, формирует извещение о состоянии канала (Link-State Andvertisement - LSA), относящееся к этому каналу (маршруту), и рассылает его всем соседствующим маршрутизаторам. Каждый маршрутизатор получает копию извещения о состоянии канала и на этом основании обновляет свою базу состояния каналов (топологическую базу), после чего пересылает копию извещения всем своим соседям. Такая массовая рассылка извещения нужна, чтобы гарантировать, что все маршрутизаторы обновят свои базы данных и создадут обновленную таблицу маршрутизации, которая отражает новую топологию. База данных состояния канала используется для обнаружения наилучшего сетевого пути. Маршрутизация с учетом состояния канала основана на алгоритме первоочередного определения кратчайшего маршрута (Shortest Path First - SPF) Дейкстра (Dijkstra) для построения SPF-дерева, на основе которого принимается решение о том, какой маршрут является наилучшим. Наилучший (кратчайший) маршрут выбирается из дерева первоочередного определения кратчайшего маршрута и помещается в таблицу маршрутизации. Примерами протоколов, использующих алгоритм с учетом состояния каналов, являются OSPF и IS_IS.

Протоколы маршрутизации

Протокол RIP

Протокол маршрутной информации (Routing Information Protocol - RIP) использует счетчик количества транзитных узлов для определения направления и расстояния для любого из каналов сети. Если существуют несколько маршрутов к получателю, протокол RIP выберет тот из них, который имеет наименьшее значение счетчика транзитных узлов. Поскольку счетчик является единственной метрикой, используемой протоколом RIP, выбранный маршрут далеко не всегда оказывается кратчайшим. Протокол RIP версии 1 позволяет использовать только классовую (classfull) маршрутизацию. Это означает, что все сетевые устройства должны иметь одинаковую маску сети, поскольку RIP версии 1 не включает в маршрутные обновления информацию о ней.

Протокол RIP версии 2 использует так называемую префиксную маршрутизацию (prefix routing) и пересылает маску сети вместе с анонсами таблиц маршрутизации: именно за счет этой функции обеспечивается поддержка бесклассовой маршрутизации. Благодаря протоколам бесклассовой маршрутизации можно использовать подсети с разной длины масками внутри одной и той же сети. Использование масок подсети разной длины внутри одной сети называется технологией масок переменной длины (Variable-Length Subnet Mask -VLSM).

Протокол IGRP

Протокол маршрутизации внутреннего шлюза (Interior Gateway Routing Protocol - IGRP), разработанный корпорацией Cisco, использует дистанционно-векторный алгоритм и предназначен для решения проблем, возникающих при маршрутизации в больших сетях, где невозможно использовать такие протоколы, как RIP. Протокол IGRP способен выбирать самый быстрый путь на основе задержки, пропускной способности, загрузки и надежности канала. Стандартно протокол IGRP использует в качестве 24-битовых метрик только пропускную способность и задержку. Этот протокол имеет значительно большее максимальное значение счетчика узлов, чем протокол RIP, что дает возможность использовать его в более крупных сетях. Протокол IGRP позволяет использовать только классовую маршрутизацию.

Протокол EIGRP

Так же, как и IGRP, протокол EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol - расширенный протокол маршрутизации внутреннего шлюза) был разработан корпорацией Cisco и является ее фирменным продуктом. Этот протокол - усовершенствованная версия протокола IGRP, использует 32-битовые метрики. В частности, протокол EIGRP очень эффективен благодаря более быстрой конвергенции и низкому потреблению пропускной способности. Он является усовершенствованным вариантом протокола, работающего на основе дистанционно-векторного алгоритма. Протокол EIGRP также использует некоторые функции алгоритмов с учетом состояния канала. Вот почему использование термина гибридный тоже вполне законно при описании протокола IGRP.

Протокол OPFS

Открытый протокол поиска кратчайшего пути (Open Shortest Path First - OSPF) использует алгоритм маршрутизации по состоянию каналов. Проблемная группа проектирования Internet (IETF) разработала OSPF в 1988 году [6]. Самая последняя версия этого протокола, OSPF версии 2, описана в спецификации RFC 2328. OSPF является протоколом IGP-типа, что означает, что он распространяет маршрутную информацию между маршрутизаторами, находящимися в единой автономной системе. Протокол OSPF был разработан для использования в больших сетях, в которых невозможно использование протокола RIP.

Протокол IS-IS

Протокол обмена маршрутной информацией между промежуточными системами (Intermediate System-to-Intermediate System - IS-IS) использует алгоритм маршрутизации по состоянию канала для стека протоколов модели OSI. Он распространяет маршрутную информацию для протокола сетевого обслуживания (Connectionless Network Protocol - CLNP), для соответствующих ISO-служб сетевого обслуживания без установления соединения (Connectionless Network Service - CLNS). Интегрированный протокол IS-IS является вариантом реализации протокола IS-IS для маршрутизации нескольких сетевых протоколов. Интегрированный протокол IS-IS объединяет CLNP-маршруты с информацией об IP-сетях и масках подсетей. Благодаря соединению ISO CLNS и IP-маршрутизации в одном протоколе интегрированный протокол IS-IS предоставляет альтернативу протоколу OSPF при использовании в IP-сетях. Он может быть использован для IP-маршрутизации, ISO-маршрутизации и для комбинации этих двух вариантов.

В качестве протокола маршрутизации выбран протокол EIGRP, так как данный протокол обладает высокой гибкостью, учитывает особенности сети и при формировании таблиц маршрутизации учитывает пропускную способность линий, что позволяет гибко составлять таблицу маршрутизации и тем самым ускорить маршрутизацию трафика.

 

Выбор сетевых элементов

Структурная схема сети провайдера IP-услуг приведена в приложении Б.

Используя данные приложения В, а именно интенсивность нагрузки и скорость передачи, выбираем оборудование сети с соответствующей производительностью и скоростью портов. Канал связи мы выбрали STM-4 для дальнейшего расширения сети.

Технические характеристики сетевого оборудования (представлены в приложении Г)

В проектируемой сети будут использованы следующие виды оборудования: маршрутизатор; шлюз; IPTV-сервер.

Для выбора оборудования необходимо учитывать следующие требования: основанием для выбора производительности является суммарное значение интенсивности поступающей нагрузки; выбираемое оборудование должно поддерживать требуемую пропускную способность. Таким образом, необходимо определить каналы связи для каждого маршрутизатора.

Таблица выбранных каналов связи для каждого маршрутизатора приведена в таблице В.1

С учетом всех требований для проектируемой сети было выбрано оборудование фирмы Сisco и использованы следующие их модели: маршрутизатор cisco 7505; шлюз ciscomgx 8880; сервер ciscoip/tv 3427.

Маршрутизаторы Cisco серии 7500 имеют несколько шасси. Данный маршрутизатор представляет собой наиболее современное устройство верхнего уровня для локальных сетей с вырожденными магистралями и для промышленных приложений распределенных сетей. Модель 7500 является современной платформой Cisco в семействе многопротокольных маршрутизаторов. Рассматриваемое семейство маршрутизаторов обладает большой гибкостью и предлагает целый ряд интерфейсов и служб, в том числе и поддержку голосовых данных. Маршрутизатор Cisco 7500 ARS имеет множество возможностей, которые описыны далее: интеграция данных на основе технологий voip, использование многофункциональных процессоров интерфейсов (versatileinteraceprocessor — vip), обеспечивающих поддержку гигабитовых сетей и широкое применение служб распределенных сетей, подключение соединений gigabiterhernet и каналов ос-12 (с пропускной способностью 622 мбит/с) для высокоскоростных соединений между локальными и распределенными сетями, использование многоканальных интерфейсов распределенных сетей и повышенной плотности данных на портах распределенных сетей., цифровой интерфейс голосового порта высокой мощности является высокопроизводительным оконечным устройством высокой мощности для мини-атс или канала отрытой коммутируемой телефонной сети.

Технические характеристики маршрутизатора cisco7505 приведены в таблице Г.1. VoIP шлюз

VoIP шлюзы серии CiscoMGX 8000 отвечают стандартам устройства операторского класса большой емкости, обеспечивают поддержку услуг VoiceoverIP (VoIP) и VoiceoverATM (VoATM).Технические характеристики шлюза CiscoMGX 8880 приведены в таблице Г.2.

Сервер CiscoIP/T

Сервер CiscoIP/TV представляет собой комбинацию уникального программного обеспечения, предназначенного для организации передачи и приема высококачественного видео на неограниченное количество компьютеров по сети IP. Линейка продуктов CiscoIP/TV - это полнофункциональное решение для передачи видеоинформации по сетям IP. В нее входят как специализированный аппаратно-программный комплекс CiscoIP/TV 3400, снабженный специальным ПО IP/TV, так и программное обеспечение CiscoIP/TV для компьютеров пользователей. CiscoIP/TV - идеальное средство для организации дистанционного обучения, трансляций в Интернет, корпоративного телевидения и передачи любых других телепрограмм из различных источников всем пользователям в сети. Это три решения в одном продукте - поддержка прямой трансляции видеоинформации, трансляции по расписанию и видеоинформации по запросу (videoondemand).

Основные возможности:

для удобства пользователей система CiscoIP/TV поддерживает три режима передачи видео: прямую, запланированную трансляцию и трансляцию по требованию;

система CiscoIP/TV поддерживает интерактивный доступ в Интернет через Web-интерфейс, а также позволяет организовать обратную связь с пользователями;

благодаря применению технологии IPMulticast система CiscoIP/TV обладает превосходной масштабируемостью и позволяет организовывать трансляцию как для не-скольких, так и для нескольких тысяч пользователей, используя минимальную полосу пропускания;

система CiscoIP/TV использует стандарты RTP/RTCP для передачи видео в режиме реального времени, видеокодеки Vxtreme, H. 261, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, Indeo 4.1, Apple Quick Time;

поддержка файловых форматов ASF, AVI, MP3 и MPEG;

поддерживаются клиенты Apple Quick Time, UNIXVIC и VAT Multicast Backbone (MBONE), Microsoft Netshow, а также встраиваемые клиенты (plug-in) для Netscape;

передача высококачественного видеоизображения: полноэкранное изображение телевизионного качества с высокой степенью синхронизации изображения и звука;

масштабируемость: серверы серии IP/TV 3400 используют распределенную серверную архитектуру, которая позволяет минимизировать используемую полосу про-пускания путем репликации содержимого на локальные серверы;

мощные средства управления: централизованное управление, как запланированными программами, так и программами по требованию, включая управление содержанием, полосой пропускания, расписанием и контролем содержания;

использование технологии многоадресной передачи (multicasts) для экономии полосы пропускания заданной видеоинформации, передачи заданного видео потока по сети, вне зависимости от числа сетевых "слушателей".

Технические характеристики сервера CiscoIP/TV 3427 приведены в таблице Г.3

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В результате выполнения курсового проекта спроектирована сеть провайдера IP-услуг, состоящая из 11 маршрутизаторов, которая предоставляет услуги VoIP и IPTV 37500 абонентам.

Требовалось обеспечить хорошее качество предоставления IP-услуг, но в результате произведенных расчетов сеть не соответствует требованиям QoS, так как вероятность потерь и время задержки превышает заданные нормы на всех направлениях при 80% загрузке сети, частично выполняются требования при 40% и 60% загрузке сети и только при малой загрузке (20%) возможно обеспечить требуемое качество обслуживания. Таким образом, провайдеру IP-услуг можно дать следующие рекомендации по улучшению QoS:

1) Увеличить пропускную способность оборудования (до 2,5 Гбит/с).

2) Провайдер должен иметь оборудование, периодически оценивающее качество оказываемых услуг электросвязи, накапливать статистическую информацию с целью выявления источников перегрузок трафика.

3) Отсутствие политики распределения потоков трафика в зависимости от вида данных (речь, видео, перемещение контентов, электронная почта и т. д.) может приводить к задержкам IP-пакетов. Поэтому в составе программного обеспечения оператора должны быть программы, управляющие трафиком потоков данных с целью исключения перегрузок в сети. эту проблему можно решить, используя более современные протоколы, например, EIGRP, т.к он учитывает при выборе маршрута как задержку при передаче, так и загруженность линии.

В качестве протокола маршрутизации был выбран протокол EIGRP, так как данный протокол обладает высокой гибкостью, учитывает особенности сети и при формировании таблиц маршрутизации учитывает пропускную способность линий, что позволяет гибко составлять таблицу маршрутизации и тем самым ускорить маршрутизацию трафика.

В качестве оборудования сети было выбрано оборудование фирмы Cisco, так как она является ведущим производителем телекоммуникационного оборудования, соответствующего современным требованиям. При выборе руководствовались рассчитанными показателями, такими как пропускная способность, интенсивность нагрузки, а также поддержка оборудованием речевого кодека G.728 и стандарта сжатия видео MPEG-4.

Выбранное оборудование и протокол маршрутизации обеспечивают гибкое управление сетью и возможность дальнейшего расширения сети провайдера без потери качества предоставляемых услуг.