Общие понятия и виды методов маршрутизации

 

Основными формами каждого маршрутизатора, реализуемым в соответствии с протоколами маршрутизации, являются:

1) Определение наилучших маршрутов до возможных пунктов назначения и сохранение полученной информации в таблице маршрутизации;

2) Передача пакетов по оптимальным путям, выбранным из таблицы маршрутизации на основе адресов получателей.

Современные протоколы маршрутизации предусматривают автоматическое формирование таблиц маршрутизации и поддержание их виртуального состояния на основе взаимодействия маршрутизаторов друг с другом. На каждом маршрутизаторе функции определяют программы опроса и прослушивания, с помощью которых он обменивается информацией с другими маршрутизаторами. Полученная информация используется для построения и обновления таблицы маршрутизации.

Таблица маршрутизации, иногда называемая базой банных маршрутизации, включает набор оптимальных путей, используемых маршрутизатором при передаче пакетов в данный момент времени. Каждая строка этой таблицы содержит, по крайней мере, следующею информацию:

3) Сетевой адрес получателя;

4) Адрес следующего маршрутизатора, пересылка к которому соответствует оптимальному пути до пункта назначения;

5) Характеристику пути, например, пропускная способность канала связи и отметку времени, когда эта характеристика была определена;

6) Информацию о способе пересылки, например, номер выходного порта.

В одной строке таблицы могут храниться данные о нескольких возможных следующих транзитных маршрутизаторах, задающих различные критерии оптимальности пути. Способ выбора транзитного маршрутизатора зависит от используемой схемы протокола маршрутизации.

Определение оптимальности путей при формировании и обновлении таблицы маршрутизации может производиться в соответствии с такими критериями или их комбинациями, как:

7) Длина маршрута, измеренная количеством маршрутизаторов, через которое необходимо пройти до пункта назначения;

8) Пропускная способность канала связи;

9) Прогнозируемое суммарное время пересылки;

10)Стоимость канала связи.

При наличии таблицы маршрутизации функцию передачи пакетов по оптимальным путям маршрутизатор реализует достаточно просто. Для отправки пакета через маршрутизатор узел локальной сети помещает в заголовок пакета на сетевом уровне модуля OSI адрес действительного получателя, а на канальном уровне - MAC - адрес маршрутизатора. После получения очередного пакета маршрутизатор выполняет следующие действия:

11)Считывает из заголовка пакета, соответствующий сетевому уровню модели OSI, адрес назначения, т.е. сетевой адрес получателя;

12)По таблице маршрутизации определяется адрес следующего транзитного маршрутизатора, пересылка к которому соответствует оптимальному пути до пункта назначения;

13)Заменяет в заголовке пакета, соответствующий канальному уровню модели OSI, свой МАС - адрес на МАС - адрес выбранного транзитного маршрутизатора;

14)Отсылает пакет выбранному транзитному маршрутизатору.

По мере того, как пакет передвигается через сеть, физический адрес (МАС - адрес) его получателя меняется, но логический адрес пункта назначения, соответствующий сетевому уровню модели OSI, остается без изменений.

В следующей таблице показан пример таблицы IP-маршрутизации. Этот пример соответствует компьютеру с Windows Server 2003, Standard Edition, имеющему одну сетевую плату с пропускной способностью до 10 Мбит/с и следующую конфигурацию:

·         IP-адрес: 10.0.0.169

·         Маска подсети: 255.0.0.0

·         Основной шлюз: 10.0.0.1

 

Описание	Сетевой адрес	Маска сети	Адрес шлюза	Интерфейс	Метрика
Маршрут по умолчанию	0.0.0.0	0.0.0.0	10.0.0.1	10.0.0.169	30
Сетевой адрес замыкания на себя	127.0.0.0	255.0.0.0	127.0.0.1	127.0.0.1	1
Локальная сеть	10.0.0.0	255.0.0.0	10.0.0.169	10.0.0.169	30
Локальный IP-адрес	10.0.0.169	255.255.255.255	127.0.0.1	127.0.0.1	30
Адреса многоадресной рассылки	224.0.0.0	240.0.0.0	10.0.0.169	10.0.0.169	30
Адрес ограниченной широковещательной рассылки	255.255.255.255	255.255.255.255	10.0.0.169	10.0.0.169	1

Маршрутизация с помощью IP-пакетов

Рассмотрим теперь принципы, на основании которых в сетях IP происходит выбор маршрута передачи пакета между сетями.

Сначала необходимо обратить внимание на тот факт, что не только маршрутизаторы, но и конечные узлы - компьютеры - должны принимать участие в выборе маршрута. Пример, приведенный на рисунке

Длина маршрута может существенно измениться в зависимости от того, какой маршрутизатор выберет компьютер для передачи своего пакета на сервер, расположенный, например, в Германии, если маршрутизатор 1 соединен выделенной линией с маршрутизатором в Копенгагене, а маршрутизатор 2 имеет спутниковый канал, соединяющий его с Токио.

В стеке TCP/IP маршрутизаторы и конечные узлы принимают решения о том, кому передавать пакет для его успешной доставки узлу назначения, на основании так называемых таблиц маршрутизации (routing tables).

Следующая таблица представляет собой типичный пример таблицы маршрутов, использующей IP-адреса сетей:

 

Адрес сети назначения	Адрес следующего маршрутизатора	Номер выходного порта Расстояние до сети назначения
56.0.0.0	198.21.17.7	120
56.0.0.0	213.34.12.4.	2130
116.0.0.0	213.34.12.4	21450
129.13.0.0	198.21.17.6	150
198.21.17.0	-	20
213. 34.12.0	-	10
default	198.21.17.7	1-

 

В этой таблице в столбце «Адрес сети назначения» указываются адреса всех сетей, которым данный маршрутизатор может передавать пакеты. В стеке TCP/IP принят так называемый одношаговый подход к оптимизации маршрута продвижения пакета (next-hop routing) - каждый маршрутизатор и конечный узел принимает участие в выборе только одного шага передачи пакета. Поэтому в каждой строке таблицы маршрутизации указывается не весь маршрут в виде последовательности IP-адресов маршрутизаторов, через которые должен пройти пакет, а только один IP-адрес - адрес следующего маршрутизатора, которому нужно передать пакет. Вместе с пакетом следующему маршрутизатору передается ответственность за выбор следующего шага маршрутизации. Одношаговый подход к маршрутизации означает распределенное решение задачи выбора маршрута. Это снимает

ограничение на максимальное количество транзитных маршрутизаторов на пути пакета.

Для отправки пакета следующему маршрутизатору требуется знание его локального адреса, но в стеке TCP/IP в таблицах маршрутизации принято использование только IP-адресов для сохранения их универсального формата, не зависящего от типа сетей, входящих в интерсеть. Для нахождения локального адреса по известному IP-адресу необходимо воспользоваться протоколом ARP.

Конечный узел, как и маршрутизатор, имеет в своем распоряжении таблицу маршрутов унифицированного формата и на основании ее данных принимает решение, какому маршрутизатору нужно передавать пакет для сети N. Решение о том, что этот пакет нужно вообще маршрутизировать, компьютер принимает в том случае, когда он видит, что адрес сети назначения пакета отличается от адреса его собственной сети (каждому компьютеру при конфигурировании администратор присваивает его IP-адрес или несколько IP-адресов, если компьютер одновременно подключен к нескольким сетям). Когда компьютер выбрал следующий маршрутизатор, то он просматривают кэш-таблицу адресов своего протокола ARP и, может быть, находит там соответствие IP-адреса следующего маршрутизатора его MAC-адресу. Если же нет, то по локальной сети передается широковещательный ARP-запрос и локальный адрес извлекается из ARP-ответа.

После этого компьютер формирует кадр протокола, используемого на выбранном порту, например, кадр Ethernet, в который помещает МАС-адрес маршрутизатора. Маршрутизатор принимает кадр Ethernet, извлекает из него пакет IP и просматривает свою таблицу маршрутизации для нахождения следующего маршрутизатора. При этом он выполняет те же действия, что и конечный узел.

Одношаговая маршрутизация обладает еще одним преимуществом - она позволяет сократить объем таблиц маршрутизации в конечных узлах и маршрутизаторах за счет использования в качестве номера сети назначения так называемого маршрута по умолчанию - default, который обычно занимает в таблице маршрутизации последнюю строку. Если в таблице маршрутизации есть такая запись, то все пакеты с номерами сетей, которые отсутствуют в таблице маршрутизации, передаются маршрутизатору, указанному в строке default. Поэтому маршрутизаторы часто хранят в своих таблицах ограниченную информацию о сетях интерсети, пересылая пакеты для остальных сетей в порт и маршрутизатор, используемые по умолчанию. Подразумевается, что маршрутизатор, используемый по умолчанию, передаст пакет на магистральную сеть, а маршрутизаторы, подключенные к магистрали, имеют полную информацию о составе интерсети.

Особенно часто приемом маршрутизации по умолчанию пользуются конечные узлы. Хотя они также в общем случае имеют в своем распоряжении таблицу маршрутизации, ее объем обычно незначителен, так как маршрутизация для компьютера - не основное занятие. Главная роль в маршрутизации пакетов в концепции протокола IP отводится, естественно, маршрутизаторам, которые должны обладать гораздо более полными таблицами маршрутизации, чем конечные узлы. Конечный узел часто вообще работает без таблицы маршрутизации, имея только сведения об IP-адресе маршрутизатора по умолчанию. При наличии одного маршрутизатора в локальной сети этот вариант - единственно возможный для всех конечных узлов. Но даже при наличии нескольких маршрутизаторов в локальной сети, когда проблема их выбора стоит перед конечным узлом, задание маршрута по умолчанию часто используется в компьютерах для сокращения объема их маршрутной таблицы.

Другим способом разгрузки компьютера от необходимости ведения больших таблиц маршрутизации является получение от маршрутизатора сведений о рациональном маршруте для какой-нибудь конкретной сети с помощью протокола ICMP.

Кроме маршрута default, в таблице маршрутизации могут встретиться два типа специальных записей - запись о специфичном для узла маршруте и запись об адресах сетей, непосредственно подключенных к портам маршрутизатора.

Специфичный для узла маршрут содержит вместо номера сети полный IP-адрес, то есть адрес, имеющий ненулевую информацию не только в поле номера сети, но и в поле номера узла. Предполагается, что для такого конечного узла маршрут должен выбираться не так, как для всех остальных узлов сети, к которой он относится. В случае, когда в таблице есть разные записи о продвижении пакетов для всей сети N и ее отдельного узла, имеющего адрес N, D, при поступлении пакета, адресованного узлу N, D, маршрутизатор отдаст предпочтение записи для N, D.

Записи в таблице маршрутизации, относящиеся к сетям, непосредственно подключенным к маршрутизатору, в поле «Расстояние до сети назначения» содержат нули.

Еще одним отличием работы маршрутизатора и конечного узла при выборе маршрута является способ построения таблицы маршрутизации. Если

маршрутизаторы обычно автоматически создают таблицы маршрутизации, обмениваясь служебной информацией, то для конечных узлов таблицы маршрутизации создаются, как правило, вручную администраторами, и хранятся в виде постоянных файлов на дисках.

Существуют различные алгоритмы построения таблиц для одношаговой маршрутизации. Их можно разделить на три класса:

·         алгоритмы фиксированной маршрутизации,

·         алгоритмы простой маршрутизации,

·         алгоритмы адаптивной маршрутизации.

Независимо от алгоритма, используемого для построения таблицы маршрутизации, результат их работы имеет единый формат. За счет этого в одной и той же сети различные узлы могут строить таблицы маршрутизации по своим алгоритмам, а затем обмениваться между собой недостающими данными, так как форматы этих таблиц фиксированы. Поэтому маршрутизатор, работающий по алгоритму адаптивной маршрутизации, может снабдить конечный узел, применяющий алгоритм фиксированной маршрутизации, сведениями о пути к сети, о которой конечный узел ничего не знает.

Методы маршрутизации

Принципиальная разница между методами маршрутизации - в степени учета изменений топологии и нагрузки сети при решении задачи.

. Простая маршрутизации отличается тем, что при выборе маршрута не учитывается ни изменение топологии сети, ни изменение ее нагрузки. Она не обеспечивает направленной передачи пакетов и имеет низкую эффективность. Ее преимущества - простота реализации алгоритма маршрутизации и обеспечение устойчивой работы сети при выходе из строя отдельных ее элементов.

. Случайная маршрутизация. Для передачи пакета из узла связи выбирается одно, случайно выбранное, свободное направление. Пакет «блуждает» по сети и с конечной вероятностью когда-либо достигнет адресата.

. Лавинная маршрутизация. Предусматривает передачу пакетов из узла по всем свободным выходным линиям. Имеет место явление «размножения» пакета, что резко ухудшает использование пропускной способности сети. Ослабление этого недостатка достигается путем уничтожения в каждом узле дубликатов (копий) пакета и продвижения по маршруту только одного пакета. Основное преимущество такого метода - гарантированное обеспечение оптимального времени доставки пакета адресату.

. Фиксированная маршрутизация. При выборе маршрута учитывается изменение топологии сети и не учитывается изменение ее нагрузки. Для каждого узла назначения направление передачи выбирается по таблице маршрутов (каталогу), которая определяет кратчайшие пути. Каталоги составляются в центре управления сетью. Они составляются заново при изменении топологии. Различают однопутевую и многопутевую фиксированные маршрутизации. Первая строится на основе единственного пути передачи пакетов между абонентами, что сопряжено с неустойчивостью к отказам и перегрузкам, а вторая - на основе нескольких возможных путей между двумя абонентами, из которых выбирается наиболее предпочтительный путь.

. Адаптивная маршрутизация. Принятие решения о направлении передачи пакетов осуществляется с учетом изменения, как топологии, так и нагрузки сети. Существует несколько модификаций адаптивной маршрутизации: локальная, распределенная, централизованная и гибридная адаптивная маршрутизации. Это основной вид алгоритмов маршрутизации, применяющихся в современных сетях со сложной топологией. Основан на периодическом обмене маршрутизаторами специальной топологической информацией о имеющихся в интерсети сетях, а также о связях между маршрутизаторами. Обычно учитывает не только топологию связей, но и их производительность и состояние.