Маршрутизатора. В результате в сети образовалась маршрутная петля: пакеты, направляемые уз­лам сети 201.36.14.0, будут передаваться маршрутизатором М2 маршрутизатору Ml

201.36.14.0 __________ 132.11.0.101 ______________2_________________3___________________________

В результате в сети образовалась маршрутная петля: пакеты, направляемые уз­лам сети 201.36.14.0, будут передаваться маршрутизатором М2 маршрутизатору Ml, а маршрутизатор Ml будет возвращать их маршрутизатору М2. IP-пакеты будут циркулировать по этой петле до тех пор, пока не истечет время жизни каждого пакета.

Маршрутная петля будет существовать в сети достаточно долго. Рассмотрим периоды времени, кратные времени жизни записей в таблицах маршрутизаторов.

• Время 0-180 с. После отказа интерфейса в маршрутизаторах Ml и М2 будут сохраняться некорректные записи, приведенные выше. Маршрутизатор М2 по-прежнему снабжает маршрутизатор Ml своей записью о сети 201.36.14.0 с мет­рикой 2, так как ее время жизни не истекло. Пакеты зацикливаются.

• Время 180-360 с. В начале этого периода у маршрутизатора М2 истекает время жизни записи о сети 201.36.14.0 с метрикой 2, так как маршрутизатор Ml в пре­дыдущий период посылал ему сообщения о сети 201.36.14.0 с худшей метрикой, чем у М2, и они не могли подтверждать эту запись. Теперь маршрутизатор М2 принимает от маршрутизатора Ml запись о сети 201.36.14.0 с метрикой 3 и трансформирует ее в запись с метрикой 4. Маршрутизатор Ml не получает новых сообщений от маршрутизатора М2 о сети 201.36.14.0 с метрикой 2, поэтому вре­мя жизни его записи начинает уменьшаться. Пакеты продолжают зацикливаться.

• Время 360-540 с. Теперь у маршрутизатора Ml истекает время жизни записи о сети 201.36.14.0 с метрикой 3. Маршрутизаторы Ml и М2 опять меняются ро­лями — М2 снабжает Ml устаревшей информацией о пути к сети 201.36.14.0, уже с метрикой 4, которую Ml преобразует в метрику 5. Пакеты продолжают зацикливаться.

Если бы в протоколе RIP не было выбрано расстояние 16 в качестве недостижи­мого, то описанный процесс длился бы до бесконечности (вернее, пока не была бы исчерпана разрядная сетка поля расстояния и не было бы зафиксировано перепол­нения при очередном наращивании расстояния).

В результате маршрутизатор М2 на очередном этапе описанного процесса полу­чает от маршрутизатора Ml метрику 15, которая после наращивания, превращаясь в метрику 16, фиксирует недостижимость сети. Период нестабильной работы сети длился 36 минут!

426 Глава 5 • Сетевой уровень как средство построения больших сетей

Ограничение в 15 хопов сужает область применения протокола RIP до сетей, в которых число промежуточных маршрутизаторов не может быть больше 15. Для более масштабных сетей нужно применять другие протоколы маршрутиза­ции, например OSPF, или разбивать сеть на автономные области.

Приведенный пример хорошо иллюстрирует главную причину нестабильной работы маршрутизаторов, работающих по протоколу RIP. Эта причина коренится в самом принципе работы дистанционно-векторных протоколов — пользовании информацией, полученной из вторых рук. Действительно, маршрутизатор М2 пе­редал маршрутизатору Ml информацию о достижимости сети 201.36.14.0, за дос­товерность которой он сам не отвечает. Искоренить эту причину полностью нельзя, ведь сам способ построения таблиц маршрутизации связан с передачей чужой ин­формации без указания источника ее происхождения.

Не следует думать, что при любых отказах интерфейсов и маршрутизаторов в сетях возникают маршрутные петли. Если бы маршрутизатор Ml успел передать сообщение о недостижимости сети 201.36.14.0 раньше ложной информации марш­рутизатора М2, то маршрутная петля не образовалась бы. Так что маршрутные петли даже без дополнительных методов борьбы с ними, описанными в следующем разделе, возникают в среднем не более чем в половине потенциально возможных случаев.

Методы борьбы с ложными маршрутами в протоколе RIP

Несмотря на то что протокол RIP не в состоянии полностью исключить переход­ные состояния в сети, когда некоторые маршрутизаторы пользуются устаревшей информацией об уже несуществующих маршрутах, имеется несколько методов, которые во многих случаях решают подобные проблемы.

Ситуация с петлей, образующейся между соседними маршрутизаторами, опи­санная в предыдущем разделе, надежно решается с помощью метода, получившем название расщепления горизонта (split horizon). Метод заключается в том, что мар­шрутная информация о некоторой сети, хранящаяся в таблице маршрутизации, никогда не передается тому маршрутизатору, от которого она получена (это следу­ющий маршрутизатор в данном маршруте). Если маршрутизатор М2 в рассмот­ренном выше примере поддерживает технику расщепления горизонта, то он не передаст маршрутизатору Ml устаревшую информацию о сети 201.36.14.0, так как получил ее именно от маршрутизатора М1.

Практически все сегодняшние маршрутизаторы, работающие по протоколу RIP, используют технику расщепления горизонта.

Однако расщепление горизонта не помогает в тех случаях, когда петли образуются не двумя, а несколькими маршрутизаторами. Рассмотрим более детально ситуацию, которая возникнет в сети, приведенной на рис. 5.26, в случае потери связи маршру­тизатора Ml с сетью 129.36.14.0. Пусть все маршрутизаторы этой сети поддержива­ют технику расщепления горизонта. Маршрутизаторы М2 и МЗ не будут возвращать маршрутизатору в этой ситуации данные о сети 201.36.14.0 с метрикой 2, так как они получили эту информацию от маршрутизатора Ml. Однако они будут передавать маршрутизатору информацию о достижимости сети 201.36.14.0 с метрикой 4 через себя, так как получили эту информацию по сложному маршруту, а не от маршру­тизатора Ml непосредственно. Например, маршрутизатор М2 получил эту ин­формацию по цепочке М4-МЗ-М1. Поэтому маршрутизатор Ml снова может быть

5.4. Протоколы маршрутизации в IP-сетях 427

обманут, пока каждый из маршрутизаторов в цепочке МЗ-М4-М2 не вычеркнет за­пись о достижимости сети 1 (а это произойдет через период 3 х 180 секунд).

Для предотвращения зацикливания пакетов по составным петлям при отказах связей применяются два других приема, называемые триггерными обновлениями (triggered updates) и замораживанием изменений (hold down).

Способ триггерных обновлений состоит в том, что маршрутизатор, получив данные об изменении метрики до какой-либо сети, не ждет истечения периода передачи таблицы маршрутизации, а передает данные об изменившемся маршруте немедленно. Этот прием может во многих случаях предотвратить передачу устарев­ших сведений об отказавшем маршруте, но он перегружает сеть служебными сооб­щениями, поэтому триггерные объявления также делаются с некоторой задержкой. Поэтому возможна ситуация, когда регулярное обновление в каком-либо маршру­тизаторе чуть опередит по времени приход триггерного обновления от предыдуще­го в цепочке маршрутизатора и данный маршрутизатор успеет передать по сети устаревшую информацию о несуществующем маршруте.

Второй прием позволяет исключить подобные ситуации. Он связан с введением тайм-аута на принятие новых данных о сети, которая только что стала недоступ­ной. Этот тайм-аут предотвращает принятие устаревших сведений о некотором маршруте от тех маршрутизаторов, которые находятся на некотором расстоянии от отказавшей связи и передают устаревшие сведения о ее работоспособности. Предполагается, что в течение тайм-аута «замораживания изменений» эти марш­рутизаторы вычеркнут данный маршрут из своих таблиц, так как не получат о нем новых записей и не будут распространять устаревшие сведения по сети.

5.4.3. Протокол «состояния связей» OSPF

Протокол OSPF (Open Shortest Path First, открытый протокол «кратчайший путь первым*) является достаточно современной реализацией алгоритма состояния свя­зей (он принят в 1991 году) и обладает многими особенностями, ориентированны­ми на применение в больших гетерогенных сетях.

В OSPF процесс построения таблицы маршрутизации разбивается на два круп­ных этапа. На первом этапе каждый маршрутизатор строит граф связей сети, в котором вершинами графа являются маршрутизаторы и IP-сети, а ребрами — ин­терфейсы маршрутизаторов. Все маршрутизаторы для этого обмениваются со сво­ими соседями той информацией о графе сети, которой они располагают к данному моменту времени. Этот процесс похож на процесс распространения векторов рас­стояний до сетей в протоколе RIP, однако сама информация качественно другая — это информация о топологии сети. Эти сообщения называются router links advertisement — объявление о связях маршрутизатора. Кроме того, при передаче топологической информации маршрутизаторы ее не модифицируют, как это делают RIP-маршрутизаторы, а передают в неизменном виде. В результате распростране­ния топологической информации все маршрутизаторы сети располагают идентич­ными сведениями о графе сети, которые хранятся в топологической базе данных маршрутизатора.

Второй этап состоит в нахождении оптимальных маршрутов с помощью полу­ченного графа. Каждый маршрутизатор считает себя центром сети и ищет опти­мальный маршрут до каждой известной ему сети. В каждом найденном таким

428 Глава 5 • Сетевой уровень как средство построения больших сетей

образом маршруте запоминается только один шаг — до следующего маршрутизато­ра, в соответствии с принципом одношаговой маршрутизации. Данные об этом шаге и попадают в таблицу маршрутизации. Задача нахождения оптимального пути на графе является достаточно сложной и трудоемкой. В протоколе OSPF для ее решения используется итеративный алгоритм Дийкстры. Если несколько маршру­тов имеют одинаковую метрику до сети назначения, то в таблице маршрутизации запоминаются первые шаги всех этих маршрутов.

После первоначального построения таблицы маршрутизации необходимо отсле­живать изменения состояния сети и вносить коррективы в таблицу маршрутизации. Для контроля состояния связей и соседних маршрутизаторов OSPF-маршрутиза-торы не используют обмен полной таблицей маршрутизации, как это не очень рационально делают RIP-маршрутизаторы. Вместо этого они передают специаль­ные короткие сообщения HELLO. Если состояние сети не меняется, то OSPF-мар-шрутизаторы корректировкой своих таблиц маршрутизации не занимаются и не посылают соседям объявления о связях. Если же состояние связи изменилось, то ближайшим соседям посылается новое объявление, касающееся только данной связи, что, конечно, экономит пропускную способность сети. Получив новое объявление об изменении состояния связи, маршрутизатор перестраивает граф сети, заново ищет оптимальные маршруты (не обязательно все, а только те, на которых отрази­лось данное изменение) и корректирует свою таблицу маршрутизации. Одновре­менно маршрутизатор ретранслирует объявление каждому из своих ближайших соседей (кроме того, от которого он получил это объявление).

При появлении новой связи или нового соседа маршрутизатор узнает об этом из новых сообщений HELLO. В сообщениях HELLO указывается достаточно де­тальная информация о том маршрутизаторе, который послал это сообщение, а так­же о его ближайших соседях, чтобы данный маршрутизатор можно было однозначно идентифицировать. Сообщения HELLO отправляются через каждые 10 секунд, чтобы повысить скорость адаптации маршрутизаторов к изменениям, происходя­щим в сети. Небольшой объем этих сообщений делает возможной такое частое тестирование состояния соседей и связей с ними.

Так как маршрутизаторы являются одними из вершин графа, то они обязатель­но должны иметь идентификаторы.

5.4. Протоколы маршрутизации в IP-сетях 429

вающих требования к качеству обслуживания в IP-пакете, — задержки передачи пакетов и надежности передачи пакетов сетью. Для каждой из метрик протокол OSPF строит отдельную таблицу маршрутизации. Выбор нужной таблицы проис­ходит в зависимости от требований к качеству обслуживания пришедшего пакета (см. рис. 5.27).

Маршрутизаторы соединены как с локальными сетями, так и непосредственно между собой глобальными каналами типа «точка-точка».

Данной сети соответствует граф, приведенный на рис. 5.28.

Протокол OSPF в своих объявлениях распространяет информацию о связях двух типов: маршрутизатор - маршрутизатор и маршрутизатор - сеть. Примером связи первого типа служит связь «R3 - R4», а второго — связь «R4 - 195.46.17.0». Если каналам «точка-точка» дать IP-адреса, то они станут дополнительными вер­шинами графа, как и локальные сети. Вместе с IP-адресом сети передается также информация о маске сети.

После инициализации OSPF-маршрутизаторы знают только о связях с непо­средственно подключенными сетями, как и RIP-маршрутизаторы. Они начинают распространять эту информацию своим соседям. Одновременно они посылают со­общения HELLO по всем своим интерфейсам, так что почти сразу же маршрутизатор узнает идентификаторы своих ближайших соседей, что пополняет его топологи­ческую базу новой информацией, которую он узнал непосредственно. Далее топо­логическая информация начинает распространяться по сети от соседа к соседу и через некоторое время достигает самых удаленных маршрутизаторов.

Каждая связь характеризуется метрикой. Протокол OSPF поддерживает стан­дартные для многих протоколов (например, для протокола Spanning Tree) значе­ния расстояний для метрики, отражающей производительность сетей: Ethernet — 10 единиц, Fast Ethernet — 1 единица, канал Т1 — 65 единиц, канал 56 Кбит/с — 1785 единиц и т. д.

При выборе оптимального пути на графе с каждым ребром графа связана мет­рика, которая добавляется к пути, если данное ребро в него входит. Пусть на при­веденном примере маршрутизатор R5 связан с R6 и R7 каналами Tl, a R6 и R7 связаны между собой каналом 56 Кбит/с. Тогда R7 определит оптимальный марш­рут до сети 201.106.14.0 как составной, проходящий сначала через маршрутизатор

430 Глава 5 • Сетевой уровень как средство построения больших сетей

R5, а затем через R6, поскольку у этого маршрута метрика будет равна 65 + 65 = 130 единиц. Непосредственный маршрут через R6 не будет оптимальным, так как его метрика равна 1785. При использовании хопов был бы выбран маршрут через R6, что не было бы оптимальным.

Протокол OSPF разрешает хранить в таблице маршрутизации несколько марш­рутов к одной сети, если они обладают равными метриками. Если такие записи образуются в таблице маршрутизации, то маршрутизатор реализует режим балан­са загрузки маршрутов (load balancing), отправляя пакеты попеременно по каждо­му из маршрутов.

У каждой записи в топологической базе данных имеется срок жизни, как и у маршрутных записей протокола RIP. С каждой записью о связях связан таймер, который используется для контроля времени жизни записи. Если какая-либо запись топологической базы маршрутизатора, полученная от другого маршрутизатора, ус­таревает, то он может запросить ее новую копию с помощью специального сообще­ния Link-State Request протокола OSPF, на которое должен поступить ответ Link-State Update от маршрутизатора, непосредственно тестирующего запрошенную связь.

При инициализации маршрутизаторов, а также для более надежной синхрони­зации топологических баз маршрутизаторы периодически обмениваются всеми за­писями базы, но этот период существенно больше, чем у RIP-маршрутизаторов.

Так как информация о некоторой связи изначально генерируется только тем маршрутизатором, который выяснил фактическое состояние этой связи путем тес­тирования с помощью сообщений HELLO, а остальные маршрутизаторы только ретранслируют эту информацию без преобразования, то недостоверная информа­ция о достижимости сетей, которая может появляться в RIP-маршрутизаторах, в OSPF-маршрутизаторах появиться не может, а устаревшая информация быстро заменяется новой, так как при изменении состояния связи новое сообщение гене­рируется сразу же.

Периоды нестабильной работы в OSPF-сетях могут возникать. Например, при отказе связи, когда информация об этом не дошла до какого-либо маршрутизатора и он отправляет пакеты сети назначения, считая эту связь работоспособной. Одна­ко эти периоды продолжаются недолго, причем пакеты не зацикливаются в марш­рутных петлях, а просто отбрасываются при невозможности их передать через неработоспособную связь.

К недостаткам протокола OSPF следует отнести его вычислительную слож­ность, которая быстро растет с увеличением размерности сети, то есть количества сетей, маршрутизаторов и связей между ними. Для преодоления этого недостатка в протоколе OSPF вводится понятие области сети (area) (не нужно путать с авто­номной системой Internet). Маршрутизаторы, принадлежащие некоторой области, строят граф связей только для этой области, что сокращает размерность сети. Между областями информация о связях не передается, а пограничные для областей марш­рутизаторы обмениваются только информацией об адресах сетей, имеющихся в каждой из областей, и расстоянием от пограничного маршрутизатора до каждой сети. При передаче пакетов между областями выбирается один из пограничных маршрутизаторов области, а именно тот, у которого расстояние до нужной сети меньше. Этот стиль напоминает стиль работы протокола RIP, но нестабильность здесь устраняется тем, что петлевидные связи между областями запрещены. При передаче адресов в другую область OSPF-маршрутизаторы агрегируют несколько адресов в один, если обнаруживают у них общий префикс.

5.4. Протоколы маршрутизации в IP-сетях 431

OSPF-маршрутизаторы могут принимать адресную информацию от других про­токолов маршрутизации, например от протокола RIP, что полезно для работы в гетерогенных сетях. Такая адресная информация обрабатывается так же, как и внеш­няя информация между разными областями.

Выводы

* Крупные сети разбивают на автономные системы, в которых проводится общая политика маршрутизации IP-пакетов. Если сеть подключена к Internet, то иден­тификатор автономной системы назначается в InterNIC.

» Протоколы маршрутизации делятся на внешние и внутренние. Внешние прото­колы (EGP, BGP) переносят маршрутную информацию между автономными системами, а внутренние (RIP, OSPF) применяются только в пределах опреде­ленной автономной системы.

* Протокол RIP является наиболее заслуженным и распространенным протоко­лом маршрутизации сетей TCP/IP. Несмотря на его простоту, определенную использованием дистанционно-векторного алгоритма, RIP успешно работает в небольших сетях с количеством промежуточных маршрутизаторов не бо­лее 15.

» RIP-маршрутизаторы при выборе маршрута обычно используют самую про­стую метрику — количество промежуточных маршрутизаторов между сетями, то есть хопов.

«Версия RIPvl не распространяет маски подсетей, что вынуждает администра­торов использовать маски фиксированной длины во всей составной сети. В вер­сии RIPv2 это ограничение снято.

* В сетях, использующих RIP и имеющих петлевидные маршруты, могут наблю­даться достаточно длительные периоды нестабильной работы, когда пакеты за­цикливаются в маршрутных петлях и не доходят до адресатов. Для борьбы с этими явлениями в RIP-маршрутизаторах предусмотрено несколько приемов (Split Horizon, Hold Down, Triggered Updates), которые сокращают в некоторых случаях периоды нестабильности.

» Протокол OSPF был разработан для эффективной маршрутизации IP-пакетов в больших сетях со сложной топологией, включающей петли. Он основан на алгоритме состояния связей, который обладает высокой устойчивостью к изме­нениям топологии сети.

» При выборе маршрута OSPF-маршрутизаторы используют метрику, учитыва­ющую пропускную способность составных сетей.

» Протокол OSPF является первым протоколом маршрутизации для IP-сетей, который учитывает биты качества обслуживания (пропускная способность, за­держка и надежность) в заголовке IP-пакета. Для каждого типа качества обслу­живания строится отдельная таблица маршрутизации.

» Протокол OSPF обладает высокой вычислительной сложностью, поэтому чаще всего работает на мощных аппаратных маршрутизаторах.

432 Глава 5 • Сетевой уровень как средство построения больших сетей