Маршрутизаторы

Первая сеть под названием ARPANET  начала функционировать в 1969 г. Она была открыта для исследовательских центров, сотрудничавших с министерством обороны США. Одна из ведущих ролей в создании Сети принадлежит директору бюро по методам обработки информации (Information Processing Techniques Office) Джону Ликлайдеру. Он первым предложил вкладывать средства в людей, а не в структуры, отдавая предпочтение специалистам из университетов, образуя центры концентрации интеллектуального потенциала.  
В качестве таких центров он избрал близкий ему Массачусетский технологический институт (MIT), где разрабатывались системы с разделением времени и интерактивной графики, и университет Карнеги - Меллона CMU) - там в основном разрабатывались мультипроцессорные системы. Придуманная Ликлайдером схема на редкость соответствовала природе работы ученых и позволила привлечь к деятельности Агентства лучшие академические умы.

IP-адреса источника и назначения остаются теми же при передаче дейтаграммы от узла к узлу, но MAC-адреса подставляются роутерами так, чтобы соответствовать определённому источнику и назначению в каждой сети.

Маршрутизатор должен владеть  следующей информацией:

• IP-адрес назначения
• IP-адрес соседнего маршрутизатора, от которого он может узнать об удаленных сетях
• Доступные пути ко всем удаленным сетям
• Наилучший путь к каждой удаленной сети
• Методы обслуживания и проверки информации о маршрутизации

Статическая маршрутизация — данные вводятся сетевым администратором.

Плюсы: нет нагрузки на ЦентральныйПроцессор, не используется канал передачи данных, хорошая защита

Минусы: необходимо четкое понимание структуры сети, изменение настроек всех маршрутизаторов даже при добавлении одной сети, не применима в крупных сетях

Динамическая маршрутизация — информация поступает от соседних маршрутизаторов по протоколу динамической маршрутизации.

Плюсы: проще статической в эксплуатации

Минусы: существенное использование ЦП, использование части полосы канала передачи данных.

Сетевые модели OSI и IEEE Project 802. 
1984 г. - OSI RM - метод описания сетевых сред и открытых архитектур. Простота написания драйверов для определенного уровня, маскировка для вышележащего уровня своих услуг. Перед подачей в сеть все данные разбиваются на пакеты. На каждом уровне к нему добавляется доп. форматирующая или адресная инфа. На принимающей стороне по мере поднимания пакета по уровням эта инфа отсекается.

Уровни модели OSI:

Прикладной	Общий доступ к сети, поток  данных, Ex: telnet.
Представление данных	Определяет формат для  обмена данными (переводчик), перевод данных свыше в общепринятый стандарт, шифрование, смена кодовой таблицы, сжатие данных.
Сеансовый	Установление, использование  и завершение сеанса связи, распознавание  имен и защита, расстановка checkpoints, чтоб в случае неудачной передачи начинать с плохого места, некорректное завершение сеанса.
Транспортный	Гарантирует доставку пакетов  без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования. Переупаковка пакетов: длинные разбиваются, короткие объединяются. Сигнал подтверждения  приема.
Сетевой	Адресация и перевод  логических имен адресов в физические. На основании конкретных сетевых  условий, приоритета услуги определяется маршрут пакета. Коммутация пакетов, маршрутизация, перегрузки. Деление  на более мелкие пакеты, если адаптер  компа не может передавать пакеты поступившей длины. Принимающая сторона их обратно соберет.Пересечение с транспортным. Если связь с установлением соединения, то сетевой уровень берет на себя контроль ошибок, маршрутизация нужна только на этапе связи, если без установления соединения, то контроль ошибок - на трансп. уровне.
Канальный  (data link)	Передача кадров с  сетевого в среду передачи (паралл. в послед. и наоборот), иногда спец. кодирование. Кадр содержит: адреса получателя и отправителя, управляющая инфа (для маршрутизации, обозначения типа пакета и сегментации), данные и CRC поле.Сетевой уровень считает передачу данных безошибочной.Расширение OSI RM - MAC и LLC - управление доступом к среде и логической связью.
Физический	Сырой поток битов. Электрический, оптический, механический (разъемы) и функциональный (способ передачи данных) интерфейсы сетевой платы с кабелем. Устанавливается длительность передачи каждого бита и правила перевода его в эл.- и опти- сигналы.

 

Виртуальная связь между  соответствующими уровнями для удаленных машин. Project 802 разрабатывался для канального и физического уровней. LLC - 802.2, MAC - 802.3 (CSMA/CD), - 802.4 (шинная сеть с передачей маркера), - 802.5 (кольцо с передачей маркера, - 802.12 (по приоритету доступа).

Таблица маршрутизации — таблица, состоящая из сетевых маршрутов и предназначенная для определения наилучшего пути передачи сетевого пакета. Каждая запись в таблице маршрутизации состоит, как правило, из таких полей:

• адрес сети назначения (destination);
• маска сети назначения (netmask, genmask);
• адрес шлюза (gateway), за исключением тех случаев, когда описывается в маршрут непосредственно доступную (directly connected) сеть, в этом случае вместо адреса шлюза обычно указываются 0.0.0.0;
• метрика маршрута (не всегда).

Пример таблицы маршрутизации (ОС Linux):

%# route -n

Kernel IP routing table

Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface

192.168.0.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 eth0

0.0.0.0         192.168.0.1    0.0.0.0         UG    0      0        0 eth0

При отправке сетевого пакета, операционная система смотрит, по какому именно маршруту он должен быть отправлен, основываясь на таблице маршрутизации. Как правило, выбирается наиболее конкретный (то есть, с наболее длинной сетевой маской) маршрут из тех, которые соответствуют адресу отправителя. Если ни один из маршрутов не подходит, пакет уничтожается, а его отправителю возвращается ICMP-сообщение No route to host.

Таблицы маршрутизации  – важная часть протокола TCP/IP в Windows, но операционная система не показывает их обычному пользователю. Если хочется  их увидеть, то необходимо открыть командную  строку и ввести команду ROUTE PRINT. После  этого можно будет увидеть окно, похожее на представленное на рисунке А.

См. слайд

См.слайд Автономная система (AS) в интернете — это система IP-сетей и маршрутизаторов, управляемых одним или несколькими операторами, имеющими единую политику маршрутизации с Интернетом. 

См.слайд

Протокол маршрутизации — сетевой протокол, используемый маршрутизаторами для определения возможных маршрутов следования данных в составной компьютерной сети. Применение протокола маршрутизации позволяет избежать ручного ввода всех допустимых маршрутов, что, в свою очередь, снижает количество ошибок, обеспечивает согласованность действий всех маршрутизаторов в сети и облегчает труд администраторов.

См.слайд

См.слайд

Различают следующие  классы протоколов динамической маршрутизации:

Протоколы вектора расстояния (Distance vector) — используют для поиска наилучшего пути расстояние до удаленной сети. Каждое перенаправление пакета маршрутизатором называется участком (hop). Наилучшим считается путь к удаленной сети с наименьшим количеством участков. Вектор определяет направление к удаленной сети.

Преимущества: требуют меньше вычислительных ресурсов.

Примеры: RIP, IGRP.

Протоколы состояния связи (Link state) — обычно называется "первый - кратчайший путь" (SPF). Каждый маршрутизатор создает три отдельные таблицы. Одна из них отслеживает непосредственно подключенных соседей, вторая — определяет топологию всей объединенной сети, а третья является таблицей маршрутизации. Устройство, действующее по протоколу типа состояния связи, имеет больше сведений об объединенной сети, чем любой протокол вектора расстояния.

Особенности: требуют больше вычислительных ресурсов, больше время конвергенции и восстановления при сбое.

Примеры: OSPF, IS-IS.

См..слайд

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

См.слайд

• Оценка расстояния только с учетом числа переходов. Протокол RIP не учитывает реальную производительность каналов связи, что может оказаться неэффективным в гетерогенных сетях, т.е. сетях, объединяющих каналы связи различного устройства, производительности, в которых используются разные сетевые технологии. 
• Проблема медленной конвергенции. Маршрутизаторы, использующие протокол RIP. Рассылают маршрутную информацию каждые 30 с, причем их работа не синхронизирована. В ситуации, когда некоторый маршрутизатор обнаружит, что какая-либо сеть стала недоступной, то в худшем случае (если проблема была выявлена сразу после очередной рассылки) он сообщит об это соседям через 30 с. Для соседних маршрутизаторов все будет происходить также. Это означает, что информация о недоступности какой-либо сети может распространятся маршрутизаторам в достаточно долго, очевидно, что сеть при этом будет находиться в нестабильном состоянии. 
• Широковещательная рассылка таблиц маршрутизации. Протокол RIP изначально предполагал, что маршрутизаторы рассылают информацию в широковещательном режиме. Это означает, что отправленный пакет вынуждены получить и проанализировать на канальном, сетевом и транспортном уровне все компьютеры сети, в которую он направлен.
• Рассмотренная выше проблема с петлей маршрутизации часто называется счетом до бесконечности (counting to infinity) и связана с распространением в сети "слухов" о некорректных путях. Без внешнего воздействия на этот процесс счетчик хопов в пакете будет увеличиваться до бесконечности за счет добавления единицы при проходе пакета через любой маршрутизатор. Решить проблему позволит ограничение максимального значения в счетчике участков. Протокол вектора расстояния (RIP) предполагает счет участков до 15, поэтому любой путь с количеством участков 16 считается ошибочным (недостижимым).
• Другим решением проблемы петель маршрутизации является деление горизонта (split horizon). Этот процесс устраняет некорректную информацию о маршрутизации за счет установки правила, согласно которому информация о маршрутизации не может передаваться в обратном направлении относительно направления, по которому она была получена. Деление горизонта не позволит маршрутизатору А послать обновление сведений обратно в маршрутизатор В, если они были получены от маршрутизатора В.
• Еще одним вариантом избежать несогласованности обновлений является порча путей (route poisoning). Например, когда отказывает сеть 4, роутер С сознательно инициирует порчу путей за счет вноса в таблицу записей для сети 4 со значением 16, т.е. устанавливает для этой сети состояние недостижимости (infinite). За счет такого искажения пути к сети 4 роутер B перестает воспринимать некорректные обновления информации о путях в сеть 4. Когда роутер B получает сообщение о порче пути от C, то возвращает ему специальное обновление, называемое "отравленный реверс" (poison reverse). Это гарантирует, что все роутеры в его сегменте получили информацию о порче пути к удаленной сети. Порча путей совместно с удержанием (hold down)  позволяет уменьшить время конвергенции.
• Удержание (hold down) предотвращает регулярные обновления о восстановлении пути, который был некоторое время недоступным, а также не допускает слишком быстрое изменение за счет установки определенного времени ожидания перед началом рассылки информации о восстановленном пути, либо стабилизации работы некоторой сети. Подобная задержка не позволяет слишком быстро начать изменение сведений о наилучших путях. Роутерам предписывается ограничить на определенный период времени рассылку любых изменений, которые могут воздействовать на переключение состояния недавно удаленных путей. Это предотвращает преждевременное изменение таблиц маршрутизации за счет сведений о временно неработоспособных маршрутизаторах. В процессе удержания используются триггерные обновления. Они сбрасывают счетчики удержания для уведомления соседнего роутера об изменениях в сети. В отличие от обновлений от соседнего роутера триггерные обновления инициируют создание новой таблицы маршрутизации, которая немедленно рассылается всем соседним устройствам.

RFC 1388 [Malkin 1993a] определяет новые расширения RIP, которые в целом обычно называются RIP-2. Эти расширения не изменяют протокол, однако добавляют дополнительную информацию в поля, помеченные как "должны быть равны нулю" (must be zero) на рисунке 10.3. RIP и RIP-2 могут взаимодействовать в том случае, если RIP игнорирует поля, которые должны быть установлены в ноль.

См.слайд

Протокол IGRP (англ. Interior Gateway Routing Protocol) — протокол маршрутизации, разработанный фирмой Cisco, для своих многопротокольных маршрутизаторов в середине 80-х годов для маршрутизации в пределах автономной системы (AS), имеющей сложную топологию и разные характеристики полосы пропускания и задержки. IGRP является протоколом внутренних роутеров (IGP) с вектором расстояния.

Для выбора маршрута в IGRP используется комбинация показателей, таких как задержка сети, полоса пропускания, надежность и загруженность сети. Весовой коэффициент этих показателей может выбираться автоматически или задаваться администратором сети. Для надежности и загруженности сети это значения от 1 до 255, полоса пропускания — от 1200 бит/сек до 10 Гбит/сек, задержка может принимать значение до 24-го порядка.

См слайд

CI = кол-до бесконечности, SH = расщепленного горизонта с ядом наоборот, HD = удержание таймер, TU = запускаемых обновлений с маршрутом отравления,? LB / экв = балансировка нагрузки с равными путями, LB / NQ = балансировка нагрузки с неравными путей, VLSM = переменной длины подсети маскировки,? Sum = автоматическое уплотнение, M = метрики, HLim = счетчик предела, Size = размер сети

RFC 2328

Протокол состояния канала связи (link-state): другим роутерам той же иерархии каждые 30 мин. рассылаются объявления о состоянии канала связи (Links State Advertisement – LSA), которые описывают состояние всех своих интерфейсов, метрики и другие параметры. Роутеры накапливают эту информацию и используют в алгоритме Дейкстры (Dijkstra) для расчёта кратчайшего пути до каждого узла.

• отсутствие ограничений на размер сети,  иерархическая структура сети
• несколько маршрутов в сторону одного узла → балансировка трафика типа round-robin
• аутентификация
• поддержка внеклассовых сетей (VLSM) и агрегации маршрутов
• передача обновлений маршрутов с использованием групповых адресов (multicast 224.0.0.5 и 224.0.0.6)
• работа поверх IP (не UDP/TCP)
• поддержка маршрутизации с учётом TOS (type-of-service)