Маршрутизация в мультисервисных сетях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Мультисервисные сети

1.1 Концепция мультисервисных сетей

1.2 Требования к мультисервисным сетям

1.3 Архитектура мультисервисных сетей

2. Маршрутизация в мультисервисных сетях

2.1 Основные понятия и виды маршрутизации

2.1.1 Методы маршрутизации

2.1.2 Маршрутизация с помощью IP-пакетов

3. Динамическая маршрутизация

3.1 Виды динамической маршрутизации

3.2 Протоколы маршрутизации мультисервисных сетей

3.2.1 Протокол OSPF (PNNI)

3.2.2 Протокол BGP

3.2.3 Протокол RIP

4. Анализ функционирования мультисервисной сети с адаптивной маршрутизацией

Заключение

Список литературы

Приложение



Введение

Маршрутизация на сегодняшний день определяется не формальными правилами и описаниями, характерными для сетей предыдущих поколений, а требованиями клиента и экономическими соображениями оператора связи. Чтобы оптимизировать работу сетей, разрабатываются различные методы маршрутизации, обеспечивающие сбалансированную нагрузку всех сетевых ресурсов. Среди зарубежных ученых, изучающих данную проблему, стоит особо выделить D. Awduche, J. Malcolm, J. Agogbua, M. O'Dell, J. McManus, S. Hiroyuki, M. Yasuhiro, Y. Makiko и др.

Чтобы успешно передать по сети потоки информации самого различного рода необходимо, чтобы алгоритм маршрутизации учитывал требования, предъявляемые данными потоками к уровню качества обслуживания (Quality of Service, QoS). Для этого весь трафик подразделяют на классы сервиса. И тогда маршрутизация по всей сети будет осуществляться в соответствии с классом сервиса каждого отдельного потока. В России вопросами маршрутизации и смежными с ними проблемами занимаются Б.С. Гольдштейн, В. М. Вишневский, Ю.А.Семенов, В. Н. Тарасов, А. В. Росляков и др.

Для получения оптимального решения необходимо одновременное рассмотрение всех потоков на полном множестве маршрутов. Однако в мультисервисных сетях с большим количеством узлов размер задачи маршрутизации при этом может оказаться весьма существенным, что не позволит решить ее за приемлемое время. Поэтому задача разработки новых методов адаптивной маршрутизации является актуальной.

Маршрутизация - это один из важнейших механизмов передачи пакетов по компьютерным сетям. Маршрутизация решает две задачи: борьба с перегрузками узлов сети и поиск кратчайших путей для передачи пакетов. Основные факторы, влияющие на выбор маршрутизатором пути - это неисправности (когда узел или канал связи выходят из строя) и перегрузки (когда какой-либо участок сети оказывается перегруженным и желательно перенаправление пакетов в обход).

Существуют два больших класса алгоритмов маршрутизации: статические и динамические. Статические алгоритмы принимают решение только на основе данных, которые не меняются с течением времени. Динамические алгоритмы постоянно обновляют свои локальные структуры для оптимизации выбора маршрутов. Наиболее оптимальное решение о выборе маршрута могут найти только динамические (адаптивные) алгоритмы маршрутизации.

Чтобы адаптивная маршрутизация была возможна, узлы должны обмениваться информацией о состоянии сети. Чем больше объем информации, которой обмениваются узлы, и чем чаще происходит обмен информацией, тем выше качество принимаемых узлами решений о выборе маршрутов. Однако, сама эта информация оказывает определенную нагрузку на сеть, вызывая снижение производительности. Это противоречие есть главная проблема адаптивной маршрутизации (или маршрутизации, вообще).

маршрутизация мультисервисный сеть динамический



1. Мультисервисные сети

В настоящее время построение мультисервисных сетей с интеграцией различных услуг является одним из наиболее перспективных направлений развития сетей. Основная задача мультисервисных сетей заключается в обеспечении сосуществования и взаимодействия разнородных коммуникационных подсистем в единой транспортной среде, когда для передачи обычного трафика (данных) и трафика реального времени (голоса и видео) используется единая инфраструктура.

Мультисервисная сеть -- это единая сеть, способная передавать голос, видеоизображения и данные. Основным стимулом появления и развития мультисервисных сетей является стремление уменьшить стоимость владения, поддержать сложные, насыщенные мультимедиа прикладные программы и расширить функциональные возможности сетевого оборудования.

Предпосылки к появлению NGN.

Изначально, для передачи различных типов информации, строились отдельные (ведомственные) сети связи: Телефонная сеть, телеграфная сеть, сети передачи данных и пр. Во второй половине XX века появилась идея объединить все ведомственные сети связи в одну. Таким образом была создана концепция сетей ISDN. Объединяющей сетью ISDN-сети является Телефонная Сеть Общего Пользования.

Но в конце XX века из-за различных причин (дороговизна ISDN-оборудования, бурное развитие IP-сетей, появление новых приложений и услуг) идея формирования глобальной сети ISDN потерпела неудачу. На смену концепции сетей ISDN, пришла концепция Сетей Следующего Поколения, NGN. В отличие от сети ISDN, сеть NGN опирается на сеть передачи данных на базе IP-протокола.

Согласно простейшему определению, сеть NGN -- это открытая, стандартная пакетная инфраструктура, которая способна эффективно поддерживать всю гамму существующих приложений и услуг, обеспечивая необходимую масштабируемость и гибкость, позволяя реагировать на новые требования по функциональности и пропускной способности.

Основное отличие сетей следующего поколения от традиционных сетей в том, что вся информация, циркулирующая в сети, разбита на две составляющие. Это сигнальная информация, обеспечивающая коммутацию абонентов и предоставление услуг, и непосредственно пользовательские данные, содержащие полезную нагрузку, предназначенную абоненту (голос, видео, данные). Пути прохождения сигнальных сообщений и пользовательской нагрузки могут не совпадать.

Сети NGN базируются на интернет технологиях включающих в себя IP протокол и технологию MPLS. На сегодняшний день разработано несколько подходов к построению сетей IP-телефонии, предложенных организациями ITU-T и IETF: H.323, SIP и MGCP

Первый в истории подход к построению сети IP-телефонии на стандартизованной основе предложен Международным союзом электросвязи в рекомендации Н.323. Сети, построенные на базе протоколов H.323, ориентированы на интеграцию с телефонными сетями и могут рассматриваться как наложенные на сети передачи данных сети ISDN. Например, процедура установления соединения в данных сетях базируется на Рекомендации ITU-T Q.931.

Изначально предпочтение отдавалось протоколу H.323, но после выявления ряда проблем с NAT traversal и "local loop", более широкое применение стал получать протокол SIP. На данный момент протокол SIP широко применяется для предоставления VoIP услуг.

Одной из важнейших особенностей протокола SIP является именно его независимость от транспортных технологий.

Третий метод построения сетей NGN связан с принципом декомпозиции шлюзов. При использовании протокола MGCP, каждый шлюз разбивается на три функциональных блока:

§ Media Gateway -- отвечает за передачу пользовательских данных

§ Signalling Gateway -- отвечает за передачу сигнальной информации

§ Call Agent -- устройство управления, где заключен весь интеллект декомпозированного шлюза.

При построении сети NGN, может использоваться как отдельный подход, так и их сочетание.

1.1 Концепция мультисервисных сетей

Концепция мультисервисности содержит несколько аспектов, относящихся к различным сторонам построения сети.

Во-первых, конвергенция загрузки сети, определяющая передачу различных типов трафика в рамках единого формата представления данных. Например, в настоящее время передача аудио- и видеотрафика происходит в основном через сети, ориентированные на коммутацию каналов, а передача данных -- по сетям с коммутацией пакетов. Конвергенция загрузки сети определяет тенденцию использования сетей с коммутацией пакетов для передачи и аудио- и видеопотоков, и собственно данных сетей. Однако это не отрицает требования дифференцирования трафика в соответствии с предоставляемым качеством услуг.

Во-вторых, конвергенция протоколов, определяющая переход от множества существующих сетевых протоколов к общему (как правило, IP). В то время как существующие сети предназначены для управления множеством протоколов, таких как IP, IPX, AppleTalk, и одного типа данных, мультисервисные сети ориентируются на единый протокол и различные сервисы, требующиеся для поддержки различных типов трафика.

В-третьих, физическая конвергенция, определяющая передачу различных типов трафика в рамках единой сетевой инфраструктуры. И мультимедийный, и голосовой трафики могут быть переданы с использованием одного и того же оборудования с учетом различных требований к полосе пропускания, задержкам и "дрожанию" частоты. Протоколы резервирования ресурса, формирования приоритетных очередей и качества обслуживания (QоS) позволяют дифференцировать услуги, предоставляемые для различных видов трафика.

В-четвертых, конвергенция устройств, определяющая тенденцию построения архитектуры сетевых устройств, способной в рамках единой системы поддерживать разнотипный трафик. Так, коммутатор поддерживает коммутацию Ethernet-пакетов, IP-маршрутизацию и соединения АТМ. Устройства сети могут обрабатывать данные, передаваемые в соответствии с общим протоколом сети (например, IP) и имеющие различные сервисные требования (например, гарантии ширины полосы пропускания, задержку и др.). Кроме того, устройства могут поддерживать как Web-ориентированные приложения, так и пакетную телефонию.

В-пятых, конвергенция приложений, определяющая интеграцию различных функций в рамках единого программного средства. Например, Web-браузер позволяет объединить в рамках одной страницы мультимедиа-данные типа звукового, видеосигнала, графики высокого разрешения и др.

В-шестых, конвергенция технологий выражает стремление к созданию единой общей технологической базы для построения сетей связи, способной удовлетворить требованиям и региональных сетей связи, и локальных вычислительных сетей. Такая база уже существует: например, асинхронная система передачи (АТМ) может использоваться для построения как региональных, так и локальных вычислительных сетей.

В-седьмых, организационная конвергенция, предполагающая централизацию служб сетевых, телекоммуникационных, информационных под управлением менеджеров высшего звена, например, в лице вице-президента. Это обеспечивает необходимые организаторские предпосылки для интегрирования голоса, видеосигнала и данных в единой сети.

Все перечисленные аспекты определяют различные стороны проблемы построения мультисервисных сетей, способных передавать трафик различного типа как в периферийной части сети, так и в ее ядре.

1.2 Требования к мультисервисным сетям

Мультисервисные сети позволяют операторам расширить свои сетевые магистрали в направлении предоставления новых сервисов, предлагая дополнительные услуги для широкого круга корпоративных клиентов. Под мультисервисными сетями мы понимаем предоставление разнородных телекоммуникационных услуг по единой инфраструктуре передачи данных.

Когда речь заходит о реализации мультисервисных сетей, обычно подлежат рассмотрению четыре технических вопроса: пропускная способность, задержка, рассинхронизация, управление.

Растущий спрос на новые виды широкополосных передач данных, потребность в доступе к Интернету в условиях жесткой конкуренции вынуждает провайдеров расширять диапазон услуг, снижать расходы на инфраструктуру и прочее. Таким образом, нужна платформа, способная предложить комплексное решение, позволяющее предоставлять широкий спектр услуг: АТМ, Frame Relay, Internet, IP, передачи голоса и видеосигнала с гарантированным качеством обслуживания (QoS) и максимальной готовностью. При этом клиент становится абонентом недорогих и надежных служб от одного поставщика, получает высокоскоростной доступ к Интернету, имеет возможность вносить изменения в набор услуг и служб и оплачивает только один счет.

Что касается проектирования сети, то мультисервисные сети требуют совершенно иного подхода. Доставка видео и голоса должна осуществляться в реальном времени -- с необходимостью приоритетности в случае перегрузок транспортной сети. Однако сетевая индустрия никогда не ориентировалась на сети реального времени, данные доставлялись в соответствии с возможностями сети в конкретный промежуток времени.

1.3 Архитектура мультисервисных сетей

Существует множество вариантов построения мультисервисной сети. Один из них предусматривает построение гомогенной инфраструктуры -- это или полностью пакетная, не ориентированная на соединения сеть (типа разделяемых и коммутируемых ЛВС, пакетных региональных сетей связи), или ориентируемые на соединения сети (типа АТМ). Ни одна из перечисленных архитектур в отдельности практически не способна удовлетворить пользователей при построении мультисервисной сети из-за различий в экономических и функциональных требованиях для локальных вычислительных сетей и региональных сетей связи. Мультисервисная сеть, простирающаяся на большие расстояния, должна иметь ядро -- региональную сеть связи, -- окруженное периферийными локальными вычислительными сетями.

В общем случае, периферийные локальные сети используют различные технологии. Одна сеть может быть основана на коммутируемой Ethernet-технологии (без устройств маршрутизации), другая -- на маршрутизируемых сегментах Ethernet-сети, и третья -- на технологии АТМ ЛВС.

Ядро сети может быть построено на основе технологий frame relay, асинхронной системы передачи или Internet.

В то время как проблемы с QoS в локальной вычислительной сети можно решить радикальным расширением полосы пропускания, с экономической точки зрения в региональной сети связи это невыполнимо. Поэтому региональные сети связи проектируются с учетом оптимизации использования ресурса для определенного типа трафика.

Сети, основанные на передаче пакетов, типа большей части Internet, обеспечивают хорошее качество потокового, не чувствительного к задержкам трафика обслуживания, но не подходят для трафика с высокими требованиями к полосе пропускания, задержке и "дрожанию" частоты. Ориентированные на соединения сети типа асинхронной системы передачи, наоборот, обеспечивают хорошее качество сервиса для трафика с высокими требованиями к полосе пропускания, задержке и "дрожанию" частоты.

Для магистралей сети наилучшим решением, обеспечивающим масштабируемую пропускную способность и гарантированное качество услуг QoS, в настоящее время является технология ATM. Многофункциональные коммутаторы АТМ, предоставляя различные интерфейсы для подключения оконечного оборудования, обеспечивают взаимодействие через единую инфраструктуру. С их помощью крупные предприятия также могут объединить трафик различных сетей в единой магистрали, наделив при этом свою сетевую инфраструктуру новыми качествами, которые, скорее всего, потребуются уже в ближайшем будущем.

Большое внимание привлекает сегодня еще одна новая технология -- телефония на базе IP (известная также как "голос по IP" -- Voice over IP, VOIP). Для коммерческих предприятий самым значимым преимуществом передачи голоса по IP является сокращение расходов: имеющаяся сеть передачи данных может передавать голосовой трафик вместо платной общедоступной телефонной сети. Многие крупные корпорации уже имеют обширные сети на базе IP.

ITU разработал общие рекомендации относительно "передачи нетелефонных сигналов", включающих и другие рекомендации с целью объединения спецификаций для аудио, видео и данных, управления вызовами и других функций.

QoS ни в коем случае нельзя считать единственным условием эффективной поддержки межпользовательской связи в реальном времени. Наличие QoS в сети обеспечивает доставку аудио-, видеоинформации и данных. Необходимо, однако, обеспечить также совместимость с существующими инфраструктурами для передачи голоса и видеоинформации -- с коммутируемыми сетями общего доступа учрежденческими АТС (PBX).

В будущем сети для передачи данных сольются с телефонными сетями и различия между ними исчезнут. Это слияние произойдет, когда ATM действительно станет повсеместным. При этом АТС ничем не будет отличаться от сетевого коммутатора ATM. Подавляющее большинство коммутаторов сможет обрабатывать все типы данных и коммутировать любой трафик. Сегодня поставщики и пользователи готовятся к этому будущему, и очертания сети нового типа со временем будут становиться все более четкими.



2. Маршрутизация в мультисервисной сети

Маршрутизация - это один из важнейших механизмов передачи пакетов по компьютерным сетям. Маршрутизация решает две задачи: борьба с перегрузками узлов сети и поиск кратчайших путей для передачи пакетов. Основные факторы, влияющие на выбор маршрутизатором пути - это неисправности (когда узел или канал связи выходят из строя) и перегрузки (когда какой-либо участок сети оказывается перегруженным и желательно перенаправление пакетов в обход).

Существуют два больших класса алгоритмов маршрутизации: статические и динамические. Статические алгоритмы принимают решение только на основе данных, которые не меняются с течением времени. Динамические алгоритмы постоянно обновляют свои локальные структуры для оптимизации выбора маршрутов.

2.1 Общие понятия и виды методов маршрутизации

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

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

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:

Сетевой адрес получателя;

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

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

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:

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

Пропускная способность канала связи;

Прогнозируемое суммарное время пересылки;

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:

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

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

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

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

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

· Маска подсети: 255.0.0.0

· Основной шлюз: 10.0.0.1



2.1.1 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.

2.1.2 Методы маршрутизации

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

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.



3. Динамическая маршрутизация в мультисервисной сети

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.

Адаптивные протоколы обмена маршрутной информацией, применяемые в настоящее время в вычислительных сетях, основаны на двух различных группах алгоритмов - дистанционно-векторных алгоритмах (Distance Vector Algorithms, DVA) и алгоритмах состояния связей (Link State Algorithms, LSA).

Это динамические распределенные протоколы, которые позволяют всем маршрутизаторам собрать информацию о топологии связей в сети, адаптивно отрабатывая все изменения конфигурации связей. Распределенность их состоит в том, что в сети отсутствует один или несколько выделенных маршрутизаторов, которые собирают и обобщают топологическую информацию, эта работа распределена между всеми маршрутизаторами.

В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор расстояний от себя до всех известных ему сетей. Под расстоянием обычно понимается число промежуточных маршрутизаторов (число так называемых "хопов", то есть прыжков, от английского hop), через которые, пакет должен пройти, прежде чем попадет в соответствующую сеть (может использоваться и другая метрика, учитывающая не только число перевалочных пунктов, но и время прохождения пакетом по связи между соседними маршрутизаторами). Получив вектор от соседнего маршрутизатора, каждый маршрутизатор добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены 1 к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов, а затем рассылает новое значение вектора снова по сети, В конце концов каждый маршрутизатор узнает информацию об имеющихся в интерсети сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.

Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В больших сетях они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком, к тому же изменения конфигурации могут отрабатываться по этому алгоритму не всегда корректно, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии связей в сети, а располагают только обобщенной информацией - вектором дистанций, к тому же полученной из вторых рук.

Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP, который распространен в двух версиях - RIP IP, работающий с протоколом IP, и RIP IPX, работающий с протоколом IPX.

Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают на основании одинаковых графов, что делает процесс маршрутизации более устойчивым к изменениям конфигурации. Широковещательная рассылка используется здесь только при изменениях состояния связей, что происходит в надежных сетях не так часто.

Для того, чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами со своими ближайшими соседями. Этот трафик также широковещательный, но он циркулирует только между соседями и не так засоряет сеть.

Протоколами, основанными на алгоритме состояния связей, являются протоколы IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) стека OSI, OSPF (Open Shortest Path First) стека TCP/IP и NLSP стека Novell, реализованный совсем недавно.

Протокол OSPF имеет ряд особенностей, специально ориентированных на использование в больших корпоративных сетях. К ним относятся:

* Применение процедур аутентификации маршрутизаторов, исключающих внедрение в сеть "злоумышленников", отводящих трафик с помощью нелегальных маршрутизаторов.

* Использование поля качества сервиса в пакете IP для автоматической балансировки загрузки параллельных линий,

* Отказ от обязательного присваивания IP-адресов портам, работающим на выделенные линии, что упрощает работу администратора при конфигурировании маршрутизатора и экономит IP адреса.

* Возможность разбиения большой сети на области администрирования. Области импортируют только конечные таблицы маршрутизации других областей, а не детальные сведения о топологии связей каждой области. Это позволяет существенно уменьшить размер базы данных топологической информации, с которой работает каждый маршрутизатор большой сети.

* Возможность импорта таблиц маршрутизации из частей сети, называемых автономными системами, в которых работают отличные от OSPF протоколы маршрутизации. Это дает возможность оставлять в неизменном виде маршрутизаторы небольших сетей, работающие по протоколу RIP, применяя в остальной части корпоративной сети протокол OSPF.

3.1 Виды динамической маршрутизации

Адаптивные протоколы обмена маршрутной информацией, применяемые в настоящее время в вычислительных сетях, основаны на двух различных группах алгоритмов - дистанционно-векторных алгоритмах

(Distance Vector Algorithms, DVA) и алгоритмах состояния связей (Link State Algorithms, LSA).

Это динамические распределенные протоколы, которые позволяют всем маршрутизаторам собрать информацию о топологии связей в сети, адаптивно отрабатывая все изменения конфигурации связей. Распределенность их состоит в том, что в сети отсутствует один или несколько выделенных маршрутизаторов, которые собирают и обобщают топологическую информацию, эта работа распределена между всеми маршрутизаторами.

В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор расстояний от себя до всех известных ему сетей. Под расстоянием обычно понимается число промежуточных маршрутизаторов (число так называемых "хопов", то есть прыжков, от английского hop), через которые, пакет должен пройти, прежде чем попадет в соответствующую сеть (может использоваться и другая метрика, учитывающая не только число перевалочных пунктов, но и время прохождения пакетом по связи между соседними маршрутизаторами). Получив вектор от соседнего маршрутизатора, каждый маршрутизатор добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены 1 к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов, а затем рассылает новое значение вектора снова по сети, В конце концов, каждый маршрутизатор узнает информацию об имеющихся в интерсети сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.

Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В больших сетях они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком, к тому же изменения конфигурации могут отрабатываться по этому алгоритму не всегда корректно, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии связей в сети, а располагают только обобщенной информацией - вектором дистанций, к тому же полученной из вторых рук.

Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP, который распространен в двух версиях - RIP IP, работающий с протоколом IP, и RIP IPX, работающий с протоколом IPX.

Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают на основании одинаковых графов, что делает процесс маршрутизации более устойчивым к изменениям конфигурации.

Широковещательная рассылка используется здесь только при изменениях состояния связей, что происходит в надежных сетях не так часто.

Для того, чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами со своими ближайшими соседями. Этот трафик также широковещательный, но он циркулирует только между соседями и не так засоряет сеть.

Протоколами, основанными на алгоритме состояния связей, являются протоколы IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) стека OSI, OSPF (Open Shortest Path First) стека TCP/IP и NLSP стека Novell, реализованный совсем недавно.

Протокол OSPF имеет ряд особенностей, специально ориентированных на использование в больших корпоративных сетях. К ним относятся:

* Применение процедур аутентификации маршрутизаторов, исключающих внедрение в сеть "злоумышленников", отводящих трафик с помощью нелегальных маршрутизаторов.

* Использование поля качества сервиса в пакете IP для автоматической балансировки загрузки параллельных линий,

* Отказ от обязательного присваивания IP-адресов портам, работающим на выделенные линии, что упрощает работу администратора при конфигурировании маршрутизатора и экономит IP адреса.

* Возможность разбиения большой сети на области администрирования. Области импортируют только конечные таблицы маршрутизации других областей, а не детальные сведения о топологии связей каждой области. Это позволяет существенно уменьшить размер базы данных топологической информации, с которой работает каждый маршрутизатор большой сети.

* Возможность импорта таблиц маршрутизации из частей сети, называемых автономными системами, в которых работают отличные от OSPF протоколы маршрутизации. Это дает возможность оставлять в неизменном виде маршрутизаторы небольших сетей, работающие по протоколу RIP, применяя в остальной части корпоративной сети протокол OSPF.

Локальная адаптивная маршрутизация. Основана на использовании имеющейся в данном узле информации, включающей: таблицу маршрута, которая определяет все направления передачи пакетов из этого узла; длину очереди пакетов, ожидающих передачи. Информация о состоянии других узлов связи не используется. Таблица маршрутов определяет кратчайшие маршруты, обеспечивающие доставку пакета за минимальное время. Преимущество метода состоит в том, что принятие решения о выборе маршрута производится с использование самых последних данных о состоянии узла. Недостаток метода заключается в его "близорукости", поскольку выбор маршрута осуществляется без учета глобального состояния всей сети.

Распределенная адаптивная маршрутизация. Основана на использовании информации, указанных для локальной маршрутизации, и данных, получаемых от соседних узлов сети. В каждом узле формируется таблица маршрутов (каталог) ко всем узлам назначения, где указывается маршруты с минимальным временем задержки пакетов. До начала работы сети это время оценивается, исходя из топологии сети. В процессе работы сети узлы периодически обмениваются соседними узлами, так называемыми таблицами задержки, в которых указывается нагрузка (длина очереди пакетов) узла.

После обмена таблицами задержки каждый узел перерассчитывает задержки и корректирует маршруты с учетом поступивших данных и длины очередей в самом узле. Обмен таблицами задержки может осуществляться не только периодически, но и асинхронно в случаях резких изменений нагрузки и топологии сети. Учет состояния соседних узлов при выборе маршрута существенно повышает эффективность алгоритмов маршрутизации, но это достигается за счет увеличения загрузки сети служебной информации.

Централизованная адаптивная маршрутизация. Характеризуется тем, что задача маршрутизации для каждого узла сети решается в центре маршрутизации (ЦМ). Каждый узел периодически формирует сообщение о своем состоянии (длине и работоспособности линий связи) и передает их в ЦМ. По этим данным в ЦМ для каждого узла составляется таблица маршрутов. Передача сообщений в ЦМ, формирование и рассылка таблиц маршрутов сопряжено с временными задержками, особенно при большой пульсации нагрузки сети. Есть опасность потери управления сетью при отказе ЦМ.

Гибридная адаптивная маршрутизация. Основана на использовании таблиц маршрутов, рассылаемых ЦМ узлам сети, в сочетании с анализом длинны очередей в узлах. Гибридная маршрутизация компенсирует недостатки централизованной и локальной маршрутизаций воспринимает их преимущества: маршруты центра соответствуют глобальному состоянию сети, а учет текущего состояния узла обеспечивает своевременность решения задачи.



3.2 Протоколы маршрутизации в мультисервисных сетях

Поскольку протоколы маршрутизации определяют пути следования IP-пакетов, от них напрямую зависит, будет ли пакет доставлен вовремя и будет ли доставлен вообще. Они определяют и эффективность работы протоколов более высокого уровня, например TCP или SMTP, -- будут ли те "страдать" от задержек или потери пакетов, дублирования дейтаграмм и прочих казусов, ответственность за возникновение которых несут службы маршрутизации. Проще говоря, успешная работа IP и элементов более высокого уровня зависит от эффективности IP-маршрутизации: если ее базовые службы не справляются со своими задачами, то нарушается работа всей системы. А если нарушается работа всей системы, то онлайновые покупатели не захотят возвращаться на ваш сайт, а ваши бизнес - подразделения не смогут вовремя получить нужную информацию.

3.2.1 Протокол OSPF

OSPF (англ. Open Shortest Path First) -- протокол динамической маршрутизации, основанный на технологии отслеживания состояния канала (link-state technology) и использующий для нахождения кратчайшего пути Алгоритм Дейкстры (Dijkstra's algorithm).

Протокол OSPF был разработан IETF в 1988 году. Последняя версия протокола представлена в RFC 2328. Протокол OSPF представляет собой протокол внутреннего шлюза (Interior Gateway Protocol -- IGP). Протокол OSPF распространяет информацию о доступных маршрутах между маршрутизаторами одной автономной системы.

OSPF имеет следующие преимущества:

§ Высокая скорость сходимости по сравнению с дистанционно-векторными протоколами маршрутизации;

§ Поддержка сетевых масок переменной длины (VLSM);

§ Оптимальное использование пропускной способности (т. к. строится минимальный остовный граф по алгоритму Дейкстры);

Описание работы протокола

1. Маршрутизаторы обмениваются hello-пакетами через все интерфейсы, на которых активирован OSPF. Маршрутизаторы, разделяющие общий канал передачи данных, становятся соседями, когда они приходят к договоренности об определённых параметрах, указанных в их hello-пакетах.

2. На следующем этапе работы протокола маршрутизаторы будут пытаться перейти в состояние смежности со своими соседями. Переход в состояние смежности определяется типом маршрутизаторов, обменивающихся hello-пакетами, и типом сети, по которой передаются hello-пакеты. OSPF определяет несколько типов сетей и несколько типов маршрутизаторов. Пара маршрутизаторов, находящихся в состоянии смежности, синхронизирует между собой базу данных состояния каналов.

3. Каждый маршрутизатор посылает объявления о состоянии канала маршрутизаторам, с которыми он находится в состоянии смежности.

4. Каждый маршрутизатор, получивший объявление от смежного маршрутизатора, записывает передаваемую в нём информацию в базу данных состояния каналов маршрутизатора и рассылает копию объявления всем другим смежным с ним маршрутизаторам.

5. Рассылая объявления внутри одной OSPF-зоны, все маршрутизаторы строят идентичную базу данных состояния каналов маршрутизатора.

6. Когда база данных построена, каждый маршрутизатор использует алгоритм "кратчайший путь первым" для вычисления графа без петель, который будет описывать кратчайший путь к каждому известному пункту назначения с собой в качестве корня. Этот граф -- дерево кратчайших путей.

7. Каждый маршрутизатор строит таблицу маршрутизации из своего дерева кратчайших путей



3.2.2 Протокол BGP

BGP (англ. Border Gateway Protocol, протокол граничного шлюза) -- основной протокол динамической маршрутизации в Интернете.

Протокол BGP предназначен для обмена информацией о достижимости подсетей между автономными системами (АС), то есть группами маршрутизаторов под единым техническим управлением, использующими протокол внутридоменной маршрутизации для определения маршрутов внутри себя и протокол междоменной маршрутизации для определения маршрутов доставки пакетов в другие АС. Передаваемая информация включает в себя список АС, к которым имеется доступ через данную систему. Выбор наилучших маршрутов осуществляет исходя из правил, принятых в сети.

BGP поддерживает бесклассовую адресацию и использует суммирование маршрутов для уменьшения таблиц маршрутизации. С 1994 года действует четвёртая версия протокола, все предыдущие версии являются устаревшими.

BGP, наряду с DNS, является одним из главных механизмов, обеспечивающих функционирование Интернета.

BGP является протоколом прикладного уровня и функционирует поверх протокола транспортного уровня TCP (порт 179). После установки соединения передаётся информация обо всех маршрутах, предназначенных для экспорта. В дальнейшем передаётся только информация об изменениях в таблицах маршрутизации. При закрытии соединения удаляются все маршруты, информация о которых передана противоположной стороной.

3.2.3 Протокол RIP

Протокол маршрутной информации (англ. Routing Information Protocol) -- один из самых простых протоколов маршрутизации. Применяется в небольших компьютерных сетях, позволяет маршрутизаторам динамически обновлять маршрутную информацию (направление и дальность в хопах), получая ее от соседних маршрутизаторов.

Алгоритм маршрутизации RIP (алгоритм Беллмана -- Форда) был впервые разработан в 1969 году, как основной для сети ARPANET.

Прототип протокола RIP -- Gateway Information Protocol, часть пакета PARC Universal Packet.

Версия RIP, которая поддерживает протокол интернета была включена в пакет BSD операционной системы Unix под названием routed (route daemon), а также многими производителями, реализовавшими свою версию этого протокола. В итоге протокол был унифицирован в документе RFC 1058.

В 1994 году был разработан протокол RIP2 (RFC 2453), который является расширением протокола RIP, обеспечивающим передачу дополнительной маршрутной информации в сообщениях RIP и повышающим уровень безопасности.

Для работы в среде IPv6 была разработана версия RIPng.

RIP -- так называемый протокол дистанционно-векторной маршрутизации, который, оперирует хопами (ретрансляционными "скачками") в качестве метрики маршрутизации. Максимальное количество хопов, разрешенное в RIP -- 15 (метрика 16 означает "бесконечно большую метрику"). Каждый RIP - маршрутизатор по умолчанию вещает в сеть свою полную таблицу маршрутизации раз в 30 секунд, довольно сильно нагружая низкоскоростные линии связи. RIP работает на прикладном уровне стека TCP/IP, используя UDP порт 520. В современных сетевых средах RIP -- не самое лучшее решение для выбора в качестве протокола маршрутизации, так как его возможности уступают более современным протоколам, таким как EIGRP, OSPF. Ограничение на 15 хопов не дает применять его в больших сетях. Преимущество этого протокола -- простота конфигурирования.



4. Анализ функционирования мультисервисной сети с адаптивной маршрутизацией

Преимущества и недостатки статической и динамической маршрутизации.

Статическая маршрутизация

Статическая маршрутизируемая IP-сеть не использует протоколы маршрутизации, поскольку вся информация о маршрутизации хранится в статической таблице на каждом маршрутизаторе. Чтобы любые два произвольных хоста в сети могли взаимодействовать между собой, каждый маршрутизатор должен иметь такую таблицу маршрутов. Статическая маршрутизируемая IP-среда лучше всего подходит для небольшой сети с редко изменяющейся структурой, в которой отсутствуют альтернативные маршруты. Статическая маршрутизируемая среда может применяться для: