МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Маршрутизация в IP сетях. Протокол OSPF и его алгоритмы. Маршрутизация в беспроводных сетях. Обзор WAN технологий. Выполнил: студент М-0801 Загидуллина Г.Р. Проверил: к.т.н., доцент кафедры «ИиВТ» Сенько В.В.

МАРШРУТИЗАЦИЯ В IP СЕТЯХ Маршрутизация – это процесс выбора маршрута следования пакета. Устройство, совершающее этот выбор, называется маршрутизатором. Маршрутизаторы работают на третьем уровне модели OSI. Используя для выбора маршрута лишь адрес сети, а адрес хоста отбрасывает. Чтобы выделить из IP адреса адрес сети, применяется маска сети. Маска сети – последовательность бит, показывающая часть адреса, являющегося адресом сети. Единицы в маске сети должны идти подряд и начинаться со старшего бита Решение о выборе маршрута (пути) маршрутизаторы принимают согласно их таблице маршрутизации. Это таблица, содержащая соответствие адреса сети к маршруту.

1 й маршрутизатор в ARPANET Interface Message Processor Bolt, Beranek and Newman, Inc., United States Interface Message Processor (IMP) – первый роутер для ARPANET (предшественница Интернет). Внутри: миникомпьютер Honeywell 516 под управлением программы размером слов (мониторинг сети, сбор статистики). Первый трафик в сети ARPANET пошёл между University of California (Лос-Анджелес) и Stanford Research Institute (Менло Парк, Калифорния) в 22:30 PST 29 октября 1969 г. Скорость: ~0.5 млн.оп./с Память: 12K Стоимость: $ Команда разработчиков IMP 1965 г.

Маршрутизация 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 Различается всего два вида маршрутизации: статическая и динамическая

Статическая маршрутизация - маршруты вводятся администратором вручную на каждом маршрутизаторе и не изменяются во время работы. Также иногда к статической маршрутизации относят маршруты, изменение которых можно предугадать. Например, изменение маршрутов по расписанию или дню недели. Плюсы: нет нагрузки на ЦП, 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. Асимметричной же маршрутизацией называют такую, в которой существует маршрут только в одну сторону

Таблица маршрутизации – электронная таблица (файл) или база данных, которая хранится на маршрутизаторе или сетевом компьютере, которая описывает соответствие между адресами назначения и интерфейсами, через которые следует отправить пакет данных до следующего маршрутизатора. Является простейшей формой правил маршрутизации. Пример таблицы маршрутизации представлен на рисунке.

Метрика показывает стоимость использования маршрута, обычно выражаемую числом прыжков до IP-адреса назначения. Вся локальная подсеть считается одним прыжком, а каждый проходимый маршрутизатор добавляет один дополнительный прыжок. Если к одному и тому же месту ведут несколько маршрутов с различными метриками, то выбирается маршрут с наименьшей метрикой. Сетевые адреса используются совместно с масками для определения IP-адреса назначения. Сетевой адрес может находиться в диапазоне от (маршрут по умолчанию) до (адрес ограниченной широковещательной рассылки, используемый для отправки сообщений всем узлам данного сегмента сети). Маска – это маска подсети, накладываемая на IP- адрес назначения для сравнения его с сетевым адресом. шлюз, обозначающий адрес маршрутизатора в сети, на который необходимо отправить пакет, следующий до указанного адреса назначения Интерфейс – это IP-адрес локального сетевого интерфейса, который используется для перенаправления IP-дейтаграммы в сети.

Протокол OSPF и его алгоритмы Open Shortest Path First (OSPF) является протоколом состояния канала Link- state, который быстро реагирует на изменения в сети, рассылая модификации при изменениях в сетевой топологии всем маршрутизаторам в пределах некоторой области сети. OSPF предназначен для работы в больших гибких составных сетях и может работать с оборудованием разных фирм-производителей, поэтому получил широкое распространение. Протокол OSPF был разработан IETF в 1988 году. Последняя версия протокола представлена в RFC Протокол OSPF представляет собой протокол внутреннего шлюза (Interior Gateway Protocol – IGP). Протокол OSPF распространяет информацию о доступных маршрутах между маршрутизаторами одной автономной системы.

Типы сетей, поддерживаемые протоколом OSPF: Широковещательные сети со множественным доступом (Ethernet, Token Ring). Точка-точка (T1, E1, коммутируемый доступ). Нешироковещательные сети со множественным доступом (NBMA) (Frame relay). 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 остовной граф по алгоритму Дейкстры).

Алгоритм работы протокола: 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. 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. Каждый маршрутизатор посылает объявления о состоянии канала маршрутизаторам, с которыми он находится в состоянии смежности. 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. Рассылая объявления внутри одной OSPF-зоны, все маршрутизаторы строят идентичную базу данных состояния каналов маршрутизатора. 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. Каждый маршрутизатор строит таблицу маршрутизации из своего дерева кратчайших путей.

Внутренний маршрутизатор (internal router) – маршрутизатор, все интерфейсы которого принадлежат одной зоне. У таких маршрутизаторов только одна база данных состояния каналов. Пограничный маршрутизатор (area border router, ABR) – соединяет одну или больше зон с магистральной зоной и выполняет функции шлюза для межзонального трафика. У пограничного маршрутизатора всегда хотя бы один интерфейс принадлежит магистральной зоне. Для каждой присоединенной зоны маршрутизатор поддерживает отдельную базу данных состояния каналов. Магистральный маршрутизатор (backbone router) – маршрутизатор у которого всегда хотя бы один интерфейс принадлежит магистральной зоне. Определение похоже на пограничный маршрутизатор, однако магистральный маршрутизатор не всегда является пограничным. Внутренний маршрутизатор, интерфейсы которого принадлежат нулевой зоне, также является магистральным. Пограничный маршрутизатор автономной системы (AS boundary router, ASBR) – обменивается информацией с маршрутизаторами принадлежащими другим автономным системам. Пограничный маршрутизатор автономной системы может находиться в любом месте автономной системы и быть внутренним, пограничным или магистральным маршрутизатором

Маршрутизация в беспроводных сетях имеет свои особенности. Фиксированная инфраструктура с ограничениями на передачу трафика между пользователями. В таком случае мобильные устройства должны функционировать в автономном режиме, самостоятельно проводя установление связи с другими узлами сети, тем самым выполняя некоторые функции маршрутизатора. Усложнения их работы обусловлено характером рассмотренных нами сетей, где узлы-пользователи могут когда угодно изменять свое местоположение, тем самым постоянно изменяя топологию и общаясь между собой без создания каких-либо определенных стационарных путей передачи данных. Такие сети носят название MANET (mobile ad hoc networks). В этом случае узлы должны сотрудничать для обеспечения качественной маршрутизации, в отличие от традиционных WLAN, где абонентское оборудование централизованно управляется точками доступа. Все эти особенности позволяют сетям значительно варьировать по количеству абонентов. Для различных примеров структуры спроектировано и создано много протоколов. Протоколы маршрутизации MANET делятся на две группы: проактивные (tabledriven/proactive routing protocols) и реактивные (on-demand/reactive routing protocols).

Проактивные протоколы требуют от узла ведения таблиц маршрутизации, где указаны маршруты, которые позволяют достичь любого абонента сети. Специальные алгоритмы используются для поддержки актуальности этой информации. В связи с этим все изменения в топологии сети распространяются в ней. К проактивным протоколам относятся TBRPF (Topology Dissemination Based on Reverse-Path Forwarding ), OLSR (optimized link state routing), DSDV (Highly Dynamic Destination- Sequenced Distance-Vector Routing). В протоколах реактивной группы узел ищет путь к пункту назначения только при возникновении необходимости. Для этого существуют 2 операции: поиск маршрута и поддержка маршрута. Когда узел намерен установить связь и начинает устанавливать маршрут, информацию о доступных каналах он получает по запросам. Основные реактивные протоколы: DSR (Dynamic Source Routing protocol), AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector), DYMO (Dynamic MANET On-demand). Позднее были предложены другие протоколы для пакетных радиосетей, в которых были сделаны попытки соединить преимущества и избавиться от недостатков каждой из групп. Примером является протокол BVR (Beacon Vector Routing), который использует технологии «жадного продвижения пакетов» (greedy forwarding) и построения системы логических координат, унаследованные от предыдущих протоколов. Его особенностью является создание ряда «маяков» (beacons), случайно выбранных узлов, которые играют роль синхронизаторов в сети. На их основе строится «дерево» сетевой структуры, определяются показатели маршрутов и осуществляется построение путей к пунктам назначения: поиск ближайшего соседа, назначение его как следующего элемента маршрута и переход до его ближайшего соседа (реализация алгоритму «жадного продвижения»). Отличием BVR является применение при этом не географических, а логических координат. Главное назначение протокола – поддержка соединениий «точка-точка» (point-to-point). Позднее на его основе был разработан протокол LCR (Logical Coordinate Routing).

Под распределенной сетью WAN понимается коммуникационная сеть, которая функционирует на территории, географически превышающей сферу работы локальной сети (local area network – LAN). Основное отличие распределенной сети от локальной состоит в том, что для использования распределенной сети коммерческая компания или организация должна заключить договор с внешним провайдером службы распределенных сетей для того, чтобы воспользоваться его услугами. По сетям WAN передаются данные различных типов, такие как голосовые, обычные цифровые или видео. Чаще всего эти сети предоставляют телефонные службы и передачу обычных данных

Структура сети провайдера службы WAN

Существует многочисленно WAN-технологий, используемых для создания соединений распределенных сетей, таких как Аналоговые соединения удаленного доступа (модем+провод/ 33 Кбит/с - 56 Кбит/с ) ISDN (Служба цифровой сети интегрированных служб, превращает локальное ответвление в цифровое соединение TDM/ 64 Кбит/с ) Выделенные линии (соединение типа «точка-точка»/ 2,5 Гбит/с) X.25 (сеть с коммутацией пакетов, обеспечивает низкоскоростное совместно используемое соединение с переменной пропускной способностью/ 48 Кбит/с) Frame Relay (простой протокол на канальном уровне, широкополосная коммутация пакетов с низкой задержкой/ до 4 Мбит/с) ATM (технология асинхронного режима передачи/ до 155 Мбит/с) DSL (Технология цифрового абонентского канала ) Кабельные соединения (30-40 Мбит/с по одному кабельному каналу 6 МГц).

Мы познакомились с маршрутизацией в IP-сетях. Рассмотрели основные понятия, принцип осуществления маршрутизации в IP-сетях, статическую и динамическую маршрутизацию и состав и назначение таблицы маршрутизации. Рассмотрели протокол динамической маршрутизации, основанный на технологии отслеживания состояния канала (link-state technology) и использующий для нахождения кратчайшего пути Алгоритм Дейкстры – протокол OSPF. Изучили обзор существующих протоколов маршрутизации в современных беспроводных сетях. Ознакомились с обзором технологий WAN-сетей и рассмотрели некоторые из многочисленных существующих WAN-технологий, используемых для создания соединений распределенных сетей, таких как аналоговые соединения удаленного доступа, ISDN, выделенные линии, X.25, Frame Relay, ATM, DSL и кабельные соединения.