Основные задачи информационных сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основная задача сетей - транспортировка информации от ЭВМ-отправителя к ЭВМ-получателю. В большинстве случаев для этого нужно совершить несколько пересылок. Проблему выбора пути решают протоколы маршрутизации. Если транспортировка данных осуществляется дейтограммами, для каждой из них эта задача решается независимо. При использовании виртуальных каналов выбор пути выполняется на этапе формирования этого канала. В Интернет с его IP-дейтограммами реализуется первый вариант, а в ISDN - второй.

Протокол маршрутизации должен обладать вполне определенными свойствами: надежностью, корректностью, стабильностью, простотой и оптимальностью. Последнее свойство не так прозрачно, как это может показаться на первый взгляд, все зависит от того, по какому или каким параметрам производится оптимизация.

Среди параметров оптимизации может быть минимальная задержка доставки, максимальная пропускная способность, минимальная цена, максимальная надежность или минимальная вероятность ошибки.

Протоколы маршрутизации бывают адаптивными и неадаптивными. Вторые, осуществляя выбор маршрута, не принимают во внимание существующую в данный момент топологию или загрузку каналов. Такие протоколы называются также статическими. Адаптивные же протоколы предполагают периодическое измерение характеристик каналов и постоянное исследование топологии маршрутов. Выбор того или иного маршрута здесь производится на основании этих измерений.

Практически все методы маршрутизации базируются на следующем утверждении (принцип оптимальности). Если маршрутизатор M находится на оптимальном пути от маршрутизатора I к маршрутизатору J, тогда оптимальный путь от М к J проходит по этому пути. Чтобы убедиться в этом обозначим маршрут I-M R1, а m-j - R2. Если существует маршрут оптимальнее, чем R2, то он должен быть объединен с R1, чтобы образовать более оптимальный путь I-J, что противоречит исходному утверждению об оптимальности пути J-J. Следствием принципа оптимальности является утверждение, что оптимальные маршруты от всех отправителей к общему месту назначения образуют дерево, лишенное циклов. Такое дерево (называется sink tree) может быть не единственным, могут существовать другие деревья с теми же длинами пути. А это, в свою очередь означает, что любой пакет будет доставлен за строго ограниченное время, пройдя однократно определенное число маршрутизаторов.

Большинство протоколов учитывают топологию связей, а не их качество (пропускную способность, загрузку и пр.). Но существуют подходы к решению проблемы статической маршрутизации, учитывающие как топологию, так и загрузку (flow-based routing). В некоторых сетях потоки между узлами относительно стабильны и предсказуемы. В этом случае появляется возможность вычислить оптимальную схему маршрутов заранее. Здесь на основе теории массового обслуживания производится оценка средней задержки доставки для каждой связи. Топология маршрутов оптимизируется по значению задержки доставки пакета. Исходными данными при расчете считается описание топологии связей, матрица трафика для всех узлов T_i,j (в пакетах в секунду) и матрица пропускных способностей каналов B_i,j в битах в секунду. Задержка t для каждой из связей оценивается по формуле

,

транспортировка маршрутизация сеть

где 1/Р - среднее значение ширины пакета в битах, произведение p*b_i,j выражается в пакетах в секунду, а t измеряется в мсек. Сформировав матрицу t_i,j, можно получить граф кратчайших связей. Так как вычисления производятся не в реальном масштабе времени, особых трудностей здесь не возникает.

Одна из базовых идей маршрутизации заключается в том, чтобы сконцентрировать маршрутную информацию в ограниченном числе (в идеале в одном) узловых марштрутизаторов-диспетчеров. Эта замечательная идея ведет к заметному увеличению числа шагов при пересылке пакетов. Оптимизировать решение позволяют идея backbone (опорной сети), к которой подключаются узловые маршрутизаторы. Любая AS подключается к опорной сети через узловой маршрутизатор.

"Прозрачные" опорные сети не работают с адресами класса С (все объекты такой сети должны иметь один адрес, а для класса С число объектов слишком ограничено). "Прозрачные" маршрутизаторы трудно диагностировать, так как они не вполне следуют протоколу ICMP (некоторые команды не работает). Однако они позволяют перераспределять нагрузку через несколько маршрутизаторов, что невозможно для большинства протоколов.

Обычно при маршрутизации используются динамические протоколы (наиболее известным разработчиком является компания CISCO). В маршрутизаторе с динамическим протоколом (например, BGP-4) резидентно загруженная программа-драйвер изменяет таблицы маршрутизации на основе информации, полученной от соседних маршрутизаторов.

Применение динамической маршрутизации не изменяет алгоритм маршрутизации, осуществляемой на IP-уровне. Программа-драйвер при поиске маршрутизатора-адресата по-прежнему просматривает таблицы.

Маршрутизатор может использовать два протокола маршрутизации одновременно: один для внешних связей, другой - для внутренних.

Автономная система (AS, система ЭВМ или сетей, имеющая единую политику маршрутизации) может выбрать собственный протокол маршрутизации.

Внутренний протокол маршрутизации IGP (Interior Gateway Protocol, RFC-1074, -1371) определяет маршруты внутри автономной системы. Наиболее популярный внутренний протокол - RIP (Routing Information Protocol, RFC-1058, -1721-27) разработан фирмой Xerox. Существует более новый протокол OSPF (Open Shortest Pass First, RFC-1850, -1583, -1587, -1584) который в будущем, возможно, заменит RIP. Наиболее старые системы (IGP) используют протокол HELLO, который поддерживается фирмой DEC. В качестве метрики он использует время, а не число шагов до цели. Для взаимодействия маршрутизаторов применяются внешние протоколы EGP (Exterior Gateway Protocols), один из известных протоколов этого типа имеет имя EGP (RFC-904, -911, -1092, -1093). Анализ каких-либо характеристик каналов или маршрутов в нем не предусмотрен, в качестве метрики используется число шагов от данной AS до адресата. EGP регламентирует обмен маршрутной информацией между автономными системами.

Протокол EGP работает с древовидной схемой соединений (никаких циклических структур) и сообщает соседям только об одном возможном пути. Новой разновидностью EGP является протокол BGP (Border Gateway Protocol, RFC-1267 [BGP-3], RFC-1771, -1655-57 [BGP-4]), который в перспективе полностью вытеснит EGP.

Протокол IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) разработан компанией CISCO для больших сетей со сложной топологией и сегментами, которые имеют разные полосы пропускания и задержки. Это внутренний протокол маршрутизации, сходный в некоторых чертах с OSPF. IGRP использует несколько типов метрики. Метрика характеризуется 32-разрядным числом, которое представляет собой сумму задержек в сегментах, и наинизшей пропускной способности (инвертированной и масштабированной соответствующим образом) для данного маршрута. В однородных средах этот вид метрики вырождается в число шагов до цели. При использовании путей со смешанной технологией передачи информации (FDDI, Ethernet, последовательные каналы со скоростью 9,6К бит/с и пр.) маршрут с минимальным значением метрики является предпочтительным. Актуализация маршрутной информации для этого протокола производится каждые 90 с. Если какой-либо маршрут не подтверждает своей работоспособности в течение 270 с, он считается недоступным. После семи циклов (630 с) актуализации такой маршрут удаляется из маршрутных таблиц. IGRP аналогично OSPF позволяет расчет метрики для каждого вида сервиса (TOS) отдельно.

Протокол IDPR (InterDomain Policy Routing Protocol, RFC-1477, -1479) является разновидностью протокола BGP. Протокол IS-IS (Intermediate System to Intermediate System Protocol, RFC-1195, -1142) представляет собой еще один внутренний протокол, который используется для маршрутизации CLNAP (ConnectionLess Network Access Protocol, RFC-1575, -1561, -1526, сходен с протоколом IP). IS-IS имеет много общего с OSPF. Кроме того, существует протокол GGP (Gateway-to-Gateway Protocol, RFC-823, RFC1009, RFC1093), который используется для передачи информации о подключенных сетях для узловых маршрутизаторов (параметр маршрутизации - вектор-расстояния; максимальное число шагов равно 255; в настоящее время устарел, заменен во многих случаях протоколом SPREAD).

Существует еще один протокол маршрутизации GATED, широко используемый фирмой IBM в системах UNIX, он имеет многие свойства протоколов RIP и HELLO.

Теперь немного подробнее о наиболее популярных протоколах маршрутизации - RIP, OSPF, IGRP и BGP-4. Начнем с внутреннего протокола маршрутизации RIP [5,2].

Этот протокол маршрутизации предназначен для сравнительно небольших и относительно однородных сетей. В протоколе RIP сообщения инкапсулируются в UDP-дейтограммы, при этом работает порт 520. В качестве метрики маршрутизации RIP использует число скачков (шагов) до цели. Если между отправителем и приемником расположено три маршрутизатора (gateway); считается, что между ними четыре шага. Такой вид метрики не учитывает различий в пропускной способности или загруженности отдельных сегментов сети. Таблица маршрутизации RIP содержит по одной записи на каждую обслуживаемую машину. Запись должна включать:

IP-адрес места назначения;

характеристику цены маршрута (от 1 до 15; число прыжков до места назначения);

IP-адрес ближайшего маршрутизатора (Gateway) по пути к месту назначения; таймеры маршрута.

Маршрут по умолчанию имеет адрес 0.0.0.0 (это верно и для других протоколов маршрутизации). Каждому маршруту ставится в соответствие таймер тайм-аута и "сборщика мусора". Тайм-аут-таймер сбрасывается каждый раз, когда маршрут инициализируется или корректируется. Если со времени последней коррекции прошло 3 мин. или получено сообщение о том, что вектор расстояния равен 16, маршрут считается закрытым. Но запись о нем не стирается пока не истечет время "уборки мусора" (2 мин). При появлении эквивалентного маршрута переключение на него не происходит.

Поле Версия для RIP равно единице (для RIP-2 - двум). Поле Набор протоколов сети i определяет набор протоколов, которые используются в соответствующей сети (для Internet это поле имеет значение 2). В RIP используются те же коды наборов протоколов, что и в UNIX 4BSD. Поле Дистанция до сети i содержит целое число шагов (от 1 до 15) до данной сети. В одном сообщении может присутствовать информация о 25 маршрутах. При реализации RIP можно выделить следующие режимы.

Инициализация. Определение всех "живых" интерфейсов путем посылки запросов, получение таблиц маршрутизации от других маршрутизаторов. Часто используются широковещательные запросы.

Получен запрос. В зависимости от типа запроса высылается адресату полная таблица маршрутизации или проводится индивидуальная обработка.

Получен отклик. Проводится коррекция таблицы маршрутизации (удаление, исправление, добавление).

Регулярные коррекции. Каждые 30 с вся таблица маршрутизации или ее часть посылается всем соседним маршрутизаторам. Могут посылаться и специальные запросы при локальном изменении таблицы.

Протокол RIP достаточно простой, но, к сожалению, не лишенный недостатков:

· RIP не работает с адресами субсетей. Если нормальный 16-битовый идентификатор ЭВМ класса В не равен 0, RIP не может определить, является ли ненулевая часть субсетевым ID или полным IP-адресом.

· IP требует много времени для восстановления связи после сбоя в маршрутизаторе (минуты). В процессе установления режима возможны циклы.

· Число шагов - важный, но не единственный параметр маршрута, да и 15 шагов - не предел для современных сетей.

Протокол RIP-2 (RFC-1721-24, 1993 г.) является новой версией RIP, которая в дополнение к широковещательному режиму поддерживает мультикастинг; позволяет работать с масками субсетей. На рисунке 7 представлен формат сообщения для протокола RIP-2. Поле Маршрутный демон является идентификатором резидентной программы-маршрутизатора. Поле Метка маршрута используется для поддержки внешних протоколов маршрутизации, сюда записываются коды автономных систем. При необходимости управления доступом можно использовать первые 20 байт с кодом поля Набора протоколов сети равным 0xFFFF и поля Меткой маршрута, равной 2. Тогда в остальные 16 байт можно записать пароль.

Протокол OSPF (Open Shortest Pass First, RFC-1850, -1583, -1587, -1584, алгоритмы предложены Дикстрой) является альтернативой протокола RIP в качестве внутреннего протокола маршрутизации [9]. OSPF представляет собой протокол состояния маршрута (в качестве метрики используется коэффициент качества обслуживания). Каждый маршрутизатор обладает полной информацией о состоянии всех интерфейсов всех маршрутизаторов автономной системы.

· пропускной способностью канала;

· задержкой (время распространения пакета);

· числом дейтаграмм, стоящих в очереди для передачи;

· загрузкой канала;

· требованиям безопасности;

· типом трафика;

· числом шагов до цели;

· возможностями промежуточных связей (например, многовариантность достижения адресата).

Определяющими являются три характеристики: задержка, пропускная способность и надежность. Для транспортных целей OSPF использует IP непосредственно, т.е. не применяет UDP или TCP. Маршрутизация в этом протоколе определяется IP-адресом и типом сервиса. Так как протокол не требует инкапсуляции пакетов, сильно облегчается управление сетями с большим количеством бриджей и сложной топологией.

Протокол маршрутизации IGRP

Протокол IGRP разработан фирмой CISCO для своих многопротокольных маршрутизаторов. IGRP представляет собой протокол, который позволяет большому числу маршрутизаторов координировать свою работу. Основные достоинства протокола [10].

· стабильность маршрутов даже в очень больших и сложных сетях;

· быстрый отклик на изменения топологии сети;

· минимальная избыточность; поэтому IGRP не требует дополнительной пропускной способности каналов для своей работы;

· разделение потока данных между несколькими параллельными маршрутами, примерно равного достоинства;

· учет частоты ошибок и уровня загрузки каналов;

· возможность реализовать различные виды сервиса для одного и того же набора информации.

Данная реализация протокола ориентирована на TCP/IP. Однако базовая конструкция системы позволяет использовать IGRP и с другими протоколами. IGRP имеет некоторое сходство со старыми протоколам, например с RIP и HELLO. Здесь маршрутизатор обменивается маршрутной информацией только с непосредственными соседями. Поэтому задача маршрутизации решается всей совокупностью маршрутизаторов, а не отдельно.

Среди параметров, которые контролируются, находятся число шагов до цели размер пересылаемого пакета. Расчет метрики производится для каждого сегмента пути.

Время от времени каждый маршрутизатор широковещательно рассылает свою маршрутную информацию всем соседним маршрутизаторам. Получатель сравнивает эти данные с уже имеющимися и вносит, если требуется, необходимые коррекции. На основании вновь полученной информации могут быть приняты решения об изменении маршрутов. Эта процедура типична для многих маршрутизаторов и этот алгоритм носит имя Белмана-Форда [5].

Внешний протокол маршрутизации BGP-4

Протокол BGP разработан компаниями IBM и CISCO [RFC-1265-1268].

Размещено на Allbest.ru