Работа маршрутизаторов в компьютерной сети

Протокол OSPF (Open Shortest Path Firs) является достаточно

современной реализацией алгоритма состояния связей (он принят в 1991 году)

и обладает многими особенностями, ориентированными на применение в больших

гетерогенных сетях.

Протокол OSPF вычисляет маршруты в IP-сетях, сохраняя при этом другие

протоколы обмена маршрутной информацией.

Непосредственно связанные (то есть достижимые без использования

промежуточных маршрутизаторов) маршрутизаторы называются "соседями". Каждый

маршрутизатор хранит информацию о том, в каком состоянии по его мнению

находится сосед. Маршрутизатор полагается на соседние маршрутизаторы и

передает им пакеты данных только в том случае, если он уверен, что они

полностью работоспособны. Для выяснения состояния связей маршрутизаторы-

соседи достаточно часто обмениваются короткими сообщениями HELLO.

Для распространения по сети данных о состоянии связей маршрутизаторы

обмениваются сообщениями другого типа. Эти сообщения называются router

links advertisement - объявление о связях маршрутизатора (точнее, о

состоянии связей). OSPF-маршрутизаторы обмениваются не только своими, но и

чужими объявлениями о связях, получая в конце-концов информацию о состоянии

всех связей сети. Эта информация и образует граф связей сети, который,

естественно, один и тот же для всех маршрутизаторов сети.

Кроме информации о соседях, маршрутизатор в своем объявлении

перечисляет IP-подсети, с которыми он связан непосредственно, поэтому после

получения информации о графе связей сети, вычисление маршрута до каждой

сети производится непосредственно по этому графу по алгоритму Дэйкстры.

Более точно, маршрутизатор вычисляет путь не до конкретной сети, а до

маршрутизатора, к которому эта сеть подключена. Каждый маршрутизатор имеет

уникальный идентификатор, который передается в объявлении о состояниях

связей. Такой подход дает возможность не тратить IP-адреса на связи типа

"точка-точка" между маршрутизаторами, к которым не подключены рабочие

станции.

Маршрутизатор вычисляет оптимальный маршрут до каждой адресуемой сети,

но запоминает только первый промежуточный маршрутизатор из каждого

маршрута. Таким образом, результатом вычислений оптимальных маршрутов

является список строк, в которых указывается номер сети и идентификатор

маршрутизатора, которому нужно переслать пакет для этой сети. Указанный

список маршрутов и является маршрутной таблицей, но вычислен он на

основании полной информации о графе связей сети, а не частичной информации,

как в протоколе RIP.

Описанный подход приводит к результату, который не может быть

достигнут при использовании протокола RIP или других дистанционно-векторных

алгоритмов. RIP предполагает, что все подсети определенной IP-сети имеют

один и тот же размер, то есть, что все они могут потенциально иметь

одинаковое число IP-узлов, адреса которых не перекрываются. Более того,

классическая реализация RIP требует, чтобы выделенные линии "точка-точка"

имели IP-адрес, что приводит к дополнительным затратам IP-адресов.

В OSPF такие требования отсутствуют: сети могут иметь различное число

хостов и могут перекрываться. Под перекрытием понимается наличие нескольких

маршрутов к одной и той же сети. В этом случае адрес сети в пришедшем

пакете может совпасть с адресом сети, присвоенным нескольким портам.

Если адрес принадлежит нескольким подсетям в базе данных маршрутов, то

продвигающий пакет маршрутизатор использует наиболее специфический маршрут,

то есть адрес подсети, имеющей более длинную маску.

Например, если рабочая группа ответвляется от главной сети, то она имеет

адрес главной сети наряду с более специфическим адресом, определяемым

маской подсети. При выборе маршрута к хосту в подсети этой рабочей группы

маршрутизатор найдет два пути, один для главной сети и один для рабочей

группы. Так как последний более специфичен, то он и будет выбран. Этот

механизм является обобщением понятия "маршрут по умолчанию", используемого

во многих сетях.

Использование подсетей с различным количеством хостов является вполне

естественным. Например, если в здании или кампусе на каждом этаже имеются

локальные сети, и на некоторых этажах компьютеров больше, чем на других, то

администратор может выбрать размеры подсетей, отражающие ожидаемые

требования каждого этажа, а не соответствующие размеру наибольшей подсети.

В протоколе OSPF подсети делятся на три категории:

"хост-сеть", представляющая собой подсеть из одного адреса,

"тупиковая сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную только к

одному маршрутизатору,

"транзитная сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную к более

чем одному маршрутизатору.

Транзитная сеть является для протокола OSPF особым случаем. В

транзитной сети несколько маршрутизаторов являются взаимно и одновременно

достижимыми. В широковещательных локальных сетях, таких как Ethernet или

Token Ring, маршрутизатор может послать одно сообщение, которое получат все

его соседи. Это уменьшает нагрузку на маршрутизатор, когда он посылает

сообщения для определения существования связи или обновленные объявления о

соседях. Однако, если каждый маршрутизатор будет перечислять всех своих

соседей в своих объявлениях о соседях, то объявления займут много места в

памяти маршрутизатора. При определении пути по адресам транзитной подсети

может обнаружиться много избыточных маршрутов к различным маршрутизаторам.

На вычисление, проверку и отбраковку этих маршрутов уйдет много времени.

Когда маршрутизатор начинает работать в первый раз (то есть

инсталлируется), он пытается синхронизировать свою базу данных со всеми

маршрутизаторами транзитной локальной сети, которые по определению имеют

идентичные базы данных. Для упрощения и оптимизации этого процесса в

протоколе OSPF используется понятие "выделенного" маршрутизатора, который

выполняет две функции.

Во-первых, выделенный маршрутизатор и его резервный "напарник"

являются единственными маршрутизаторами, с которыми новый маршрутизатор

будет синхронизировать свою базу. Синхронизировав базу с выделенным

маршрутизатором, новый маршрутизатор будет синхронизирован со всеми

маршрутизаторами данной локальной сети.

Во-вторых, выделенный маршрутизатор делает объявление о сетевых

связях, перечисляя своих соседей по подсети. Другие маршрутизаторы просто

объявляют о своей связи с выделенным маршрутизатором. Это делает объявления

о связях (которых много) более краткими, размером с объявление о связях

отдельной сети.

Для начала работы маршрутизатора OSPF нужен минимум информации - IP-

конфигурация (IP-адреса и маски подсетей), некоторая информация по

умолчанию (default) и команда на включение. Для многих сетей информация по

умолчанию весьма похожа. В то же время протокол OSPF предусматривает

высокую степень программируемости.

Интерфейс OSPF (порт маршрутизатора, поддерживающего протокол OSPF)

является обобщением подсети IP. Подобно подсети IP, интерфейс OSPF имеет IP-

адрес и маску подсети. Если один порт OSPF поддерживает более, чем одну

подсеть, протокол OSPF рассматривает эти подсети так, как если бы они были

на разных физических интерфейсах, и вычисляет маршруты соответственно.

Интерфейсы, к которым подключены локальные сети, называются

широковещательными (broadcast) интерфейсами, так как они могут использовать

широковещательные возможности локальных сетей для обмена сигнальной

информацией между маршрутизаторами. Интерфейсы, к которым подключены

глобальные сети, не поддерживающие широковещание, но обеспечивающие доступ

ко многим узлам через одну точку входа, например сети Х.25 или frame relay,

называются нешироковещательными интерфейсами с множественным доступом или

NBMA (non-broadcast multi-access). Они рассматриваются аналогично

широковещательным интерфейсам за исключением того, что широковещательная

рассылка эмулируется путем посылки сообщения каждому соседу. Так как

обнаружение соседей не является автоматическим, как в широковещательных

сетях, NBMA-соседи должны задаваться при конфигурировании вручную. Как на

широковещательных, так и на NBMA-интерфейсах могут быть заданы приоритеты

маршрутизаторов для того, чтобы они могли выбрать выделенный маршрутизатор.

Интерфейсы "точка-точка", подобные PPP, несколько отличаются от

традиционной IP-модели. Хотя они и могут иметь IP-адреса и подмаски, но

необходимости в этом нет.

В простых сетях достаточно определить, что пункт назначения достижим и

найти маршрут, который будет удовлетворительным. В сложных сетях обычно

имеется несколько возможных маршрутов. Иногда хотелось бы иметь возможности

по установлению дополнительных критериев для выбора пути: например,

наименьшая задержка, максимальная пропускная способность или наименьшая

стоимость (в сетях с оплатой за пакет). По этим причинам протокол OSPF

позволяет сетевому администратору назначать каждому интерфейсу определенное

число, называемое метрикой, чтобы оказать нужное влияние на выбор маршрута.

Число, используемое в качестве метрики пути, может быть назначено

произвольным образом по желанию администратора. Но по умолчанию в качестве

метрики используется время передачи бита в 10-ти наносекундных единицах (10

Мб/с Ethernet'у назначается значение 10, а линии 56 Кб/с - число 1785).

Вычисляемая протоколом OSPF метрика пути представляет собой сумму метрик

всех проходимых в пути связей; это очень грубая оценка задержки пути. Если

маршрутизатор обнаруживает более, чем один путь к удаленной подсети, то он

использует путь с наименьшей стоимостью пути.

В протоколе OSPF используется несколько временных параметров, и среди

них наиболее важными являются интервал сообщения HELLO и интервал отказа

маршрутизатора (router dead interval).

HELLO - это сообщение, которым обмениваются соседние, то есть

непосредственно связанные маршрутизаторы подсети, с целью установить

состояние линии связи и состояние маршрутизатора-соседа. В сообщении HELLO

маршрутизатор передает свои рабочие параметры и говорит о том, кого он

рассматривает в качестве своих ближайших соседей. Маршрутизаторы с разными

рабочими параметрами игнорируют сообщения HELLO друг друга, поэтому неверно

сконфигурированные маршрутизаторы не будут влиять на работу сети. Каждый

маршрутизатор шлет сообщение HELLO каждому своему соседу по крайней мере

один раз на протяжении интервала HELLO. Если интервал отказа маршрутизатора

истекает без получения сообщения HELLO от соседа, то считается, что сосед

неработоспособен, и распространяется новое объявление о сетевых связях,

чтобы в сети произошел пересчет маршрутов.

Пример маршрутизации по алгоритму OSPF

Представим себе один день из жизни транзитной локальной сети. Пусть у

нас имеется сеть Ethernet, в которой есть три маршрутизатора - Джон, Фред и

Роб (имена членов рабочей группы Internet, разработавшей протокол OSPF).

Эти маршрутизаторы связаны с сетями в других городах с помощью выделенных

линий.

Пусть произошло восстановление сетевого питания после сбоя.

Маршрутизаторы и компьютеры перезагружаются и начинают работать по сети

Ethernet. После того, как маршрутизаторы обнаруживают, что порты Ethernet

работают нормально, они начинают генерировать сообщения HELLO, которые

говорят о их присутствии в сети и их конфигурации. Однако маршрутизация

пакетов начинает осуществляться не сразу - сначала маршрутизаторы должны

синхронизировать свои маршрутные базы (рисунок).

[pic]

Рис. Гипотетическая сеть с OSPF маршрутизаторами

На протяжении интервала отказа маршрутизаторы продолжают посылать

сообщения HELLO. Когда какой-либо маршрутизатор посылает такое сообщение,

другие его получают и отмечают, что в локальной сети есть другой

маршрутизатор. Когда они посылают следующее HELLO, они перечисляют там и

своего нового соседа.

Когда период отказа маршрутизатора истекает, то маршрутизатор с

наивысшим приоритетом и наибольшим идентификатором объявляет себя

выделенным (а следующий за ним по приоритету маршрутизатор объявляет себя

резервным выделенным маршрутизатором) и начинает синхронизировать свою базу

данных с другими маршрутизаторами.

С этого момента времени база данных маршрутных объявлений каждого

маршрутизатора может содержать информацию, полученную от маршрутизаторов

других локальных сетей или из выделенных линий. Роб, например, вероятно

получил информацию от Мило и Робина об их сетях, и он может передавать туда

пакеты данных. Они содержат информацию о собственных связях маршрутизатора

и объявления о связях сети.

Базы данных теперь синхронизированы с выделенным маршрутизатором,

которым является Джон. Джон суммирует свою базу данных с каждой базой

данных своих соседей - базами Фреда, Роба и Джеффа - индивидуально. В

каждой синхронизирующейся паре объявления, найденные только в какой-либо

одной базе, копируются в другую. Выделенный маршрутизатор, Джон,

распространяет новые объявления среди других маршрутизаторов своей

локальной сети. Например, объявления Мило и Робина передаются Джону Робом,

а Джон в свою очередь передает их Фреду и Джеффри. Обмен информацией между

базами продолжается некоторое время, и пока он не завершится,

маршрутизаторы не будут считать себя работоспособными. После этого они себя

таковыми считают, потому что имеют всю доступную информацию о сети.

Посмотрим теперь, как Робин вычисляет маршрут через сеть. Две из

связей, присоединенных к его портам, представляют линии T-1, а одна - линию

56 Кб/c. Робин сначала обнаруживает двух соседей - Роба с метрикой 65 и

Мило с метрикой 1785. Из объявления о связях Роба Робин обнаружил наилучший

путь к Мило со стоимостью 130, поэтому он отверг непосредственный путь к

Мило, поскольку он связан с большей задержкой, так как проходит через линии

с меньшей пропускной способностью. Робин также обнаруживает транзитную

локальную сеть с выделенным маршрутизатором Джоном. Из объявлений о связях

Джона Робин узнает о пути к Фреду и, наконец, узнает о пути к

маршрутизаторам Келли и Джеффу и к их тупиковым сетям.

После того, как маршрутизаторы полностью входят в рабочий режим,

интенсивность обмена сообщениями резко падает. Обычно они посылают

сообщение HELLO по своим подсетям каждые 10 секунд и делают объявления о

состоянии связей каждые 30 минут (если обнаруживаются изменения в состоянии

связей, то объявление передается, естественно, немедленно). Обновленные

объявления о связях служат гарантией того, что маршрутизатор работает в

сети. Старые объявления удаляются из базы через определенное время.

Представим, однако, что какая-либо выделенная линия сети отказала.

Присоединенные к ней маршрутизаторы распространяют свои объявления, в

которых они уже не упоминают друг друга. Эта информация распространяется по

сети, включая маршрутизаторы транзитной локальной сети. Каждый

маршрутизатор в сети пересчитывает свои маршруты, находя, может быть, новые

пути для восстановления утраченного взаимодействия.

2.1.3 Сравнение протоколов RIP и OSPF по затратам на

широковещательный трафик

В сетях, где используется протокол RIP, накладные расходы на обмен

маршрутной информацией строго фиксированы. Если в сети имеется определенное

число маршрутизаторов, то трафик, создаваемый передаваемой маршрутной

информацией, описываются формулой (1):

(1) F = (число объявляемых маршрутов/25) x 528 (байтов в сообщении) x

(число копий в единицу времени) x 8 (битов в байте)

В сети с протоколом OSPF загрузка при неизменном состоянии линий связи

создается сообщениями HELLO и обновленными объявлениями о состоянии связей,

что описывается формулой (2):

(2) F = { [ 20 + 24 + 20 + (4 x число соседей)] x

(число копий HELLO в единицу времени) }x 8 +

[(число объявлений x средний размер объявления) x

(число копий объявлений в единицу времени)] x 8,

где 20 - размер заголовка IP-пакета,

24 - заголовок пакета OSPF,

20 - размер заголовка сообщения HELLO,

4 - данные на каждого соседа.

Интенсивность посылки сообщений HELLO - каждые 10 секунд, объявлений о

состоянии связей - каждые полчаса. По связям "точка-точка" или по

широковещательным локальным сетям в единицу времени посылается только одна

копия сообщения, по NBMA сетям типа frame relay каждому соседу посылается

своя копия сообщения. В сети frame relay с 10 соседними маршрутизаторами и

100 маршрутами в сети (подразумевается, что каждый маршрут представляет

собой отдельное OSPF-обобщение о сетевых связях и что RIP распространяет

информацию о всех этих маршрутах) трафик маршрутной информации определяется

соотношениями (3) и (4):

(3) RIP: (100 маршрутов / 25 маршрутов в объявлении) x 528 x

(10 копий / 30 сек) = 5 632 б/с

(4) OSPF: {[20 + 24 + 20 + (4 x 10) x (10 копий / 10 сек)] +

[100 маршрутов x (32 + 24 + 20) + (10 копий / 30 x 60 сек]} x 8 = 1 170 б/с

Как видно из полученных результатов, для нашего гипотетического примера

трафик, создаваемый протоколом RIP, почти в пять раз интенсивней трафика,

создаваемого протоколом OSPF.

2.2 ОРГАНИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТАБЛИЦ МАРШРУТИЗАЦИИ

Важнейшей задачей сетевого уровня является маршрутизация - передача

пакетов между двумя конечными узлами в составной сети.

Рассмотрим принципы формирования таблиц маршрутизации на примере

Страницы: 1, 2, 3