ІP-маршрутизація

Маршрутизація — це процес, за допомогою якого дані, передані з комп’ютера в мережі, спрямовуються вузлу-адресатові, у разі, коли останній перебуває в різних з вихідним комп’ютером мережах. Єдина роль маршрутизатора в мережі — переглядати пакети, що надходять, і переправляти їх у відповідний пункт призначення (або ж інформувати відправника, що пункт призначення невідомий або недосяжний). Маршрутизатор — це пристрій, єдиною метою якого є розподіл мережного трафіка. Маршрутизатор може бути як окремим пристроєм, так і службою на комп’ютері (наприклад, на Windows NT Server). Оскільки маршрутизатори дозволяють мережі взаємодіяти з іншими мережами, вони часто називаються шлюзами. Шлюз — це ТСР/IP-вузол, одночасно підключений до двох або більшої кількості мереж. Такі пристрої називаються системами з декількома мережними інтерфейсами (див. розділ «Системи з декількома мережними інтерфейсами й ІP-маршрутизація»).

Маршрутизатор переправляє або ретранслює пакети, засновані на комунікаційних шляхах, описаних у його таблиці маршрутизації. Таблиця маршрутизації — це база даних, у якій зберігаються відповідності між ІP-адресами сегментів і ІP-адресами інтерфейсів маршрутизатора. Коли з якого-небудь вузла надходять дані, маршрутизатор перевіряє таблицю маршрутизації. Якщо віддалений вузол-адресат (або його мережний сегмент) не зазначений у таблиці маршрутизації, то дані відправляються на шлюз за замовчуванням. Шлюз за замовчуванням, якщо він заданий, — це вузол, на який надсилаються всі пакети, відправлені на невідомі адреси. Якщо вузол-адресат знайдено, дані відправляються адресатові. Якщо вузол-адресат не знайдено, то вузол-відправник надсилає повідомлення про помилку.

Процес маршрутизації

Процес маршрутизації пакетів даних з мережі до сусідньої мережі нескладно зрозуміти. Наступний приклад використовує позначення (рис. 7.4.3):

Рис. 7.4.3. Найпростіша маршрутизація

1. Робоча станція 172.16.1.1 перевіряє, чи перебуває вузол 172.16.2.18 у локальній мережі.
2. Оскільки 172.16.2.18 не перебуває у локальній мережі, дані мають маршрутизуватися.
3. За допомогою ARP визначається апаратна адреса (Hardware Address, HWA) шлюзу за замовчуванням. ІP-адреса шлюзу за замовчуванням задана при настроюванні робочої станції 172.16.1.1, але апаратна адреса шлюзу має бути знайдена за допомогою ARP.
4. 172.16.1.1 відправляє пакет даних на шлюз за замовчуванням 172.16.1.25, причому заголовок кожного пакета містить:
   
   • апаратну адресу відправника: 14;
   • ІP-адресу відправника: 172.16.1.1;
   • апаратну адресу одержувача (мається на увазі на вузол-адресат, а шлюз): 18;
   • ІP-адресу вузла-адресата: 172.16.2.18.
5. Маршрутизатор, розташований за адресою шлюзу 172.16.1.25 і апаратною адресою 18, визначає за заголовками пакетів, що надійшли, що пакети призначені для подальшої передачі.
6. Маршрутизатор визначає, що пакети призначені для мережі 172.16.2.
7. Маршрутизатор робить ARP-запит для визначення апаратної адреси вузла-адресата 172.16.2.18. Отримана апаратна адреса зберігається в кеші для наступного використання.
8. Маршрутизатор відправляє пакети в мережу 172.16.2, помістивши таку інформацію в заголовок:
   • апаратна адреса відправника: 23;
   • ІP-адреса відправника: 172.16.1.1;
   • апаратна адреса одержувача: 7;
   • ІP-адреса вузла-адресата: 172.16.2.18.
9. Дані передаються мережею 172.16.2; мережна карта вузла-адресата розпізнає свої апаратні і ІP-адреси й одержує пакет.

Слід зазначити, що ІP-адреса вихідного вузла зберігається в заголовку пакета, коли пакет надходить до вузла-адресата. Однак як HWA зазначена апаратна адреса останнього шлюзу, через який пройшов пакет (у цьому разі це апаратна адреса інтерфейсу маршрутизатора). Коли пакет «перестрибує» з однієї мережі в іншу, ІP-адреса вузла-відправника й вузла-адресата не змінюються, проте HWA змінюється відповідно до пристроїв, за допомогою яких передавався пакет.

Процес маршрутизації стає складнішим і важко сприймається, якщо в нього залучається кілька мереж або якщо вузол-адресат не підключений безпосередньо до маршрутизатора. Таблиці маршрутизації дозволяють розв’язати ці проблеми, а також аналогічні проблеми, які виникають при маршрутизації. Таблиці маршрутизації дозволяють маршрутизаторам визначити, куди необхідно переслати пакет, коли його кінцевий пункт не зазначений у таблиці. Слід пам’ятати, що таблиці маршрутизації містять тільки список шляхів до мереж, але не до окремих вузлів.

Статична й динамічна маршрутизація

Існують два типи таблиць маршрутизації: статичні й динамічні. Системні адміністратори мають створювати й обновляти статичні таблиці маршрутизації вручну, оскільки таблиці не можуть змінитися без певного втручання. Динамічні таблиці маршрутизації створюються й підтримуються автоматично за допомогою протоколу маршрутизації. До появи Windows NT 4 динамічна маршрутизація була доступна тільки за допомогою застосування коштовних додаткових компонентів сторонніх виробників. Тепер за допомогою MPR і RІP динамічна маршрутизація підтримується NT Server 4. Порівняльну характеристику динамічної й статичної маршрутизації наведено в табл. 7.4.1.

Таблиця 7.4.1 Порівняння динамічної й статичної маршрутизації

Динамічна маршрутизація	Статична маршрутизація
Функція протоколу маршрутизації	Функція ІР
Маршрутизатори розділяють дані	Маршрутизатори не розділяють дані
Таблиці підтримуються автоматично	Таблиці створюються вручну
Необхідність RIP або OSPF	Підтримується системами з декількома мережними інтерфейсами
Використовується в великих та складних мережах	Використовується в невеликих мережах з простою архітектурою

Статична ІP-маршрутизація. Статична маршрутизація — вбудована функція ІP і не вимагає яких-небудь додаткових служб для роботи. Статична таблиця маршрутизації має створюватися й підтримуватися на кожному маршрутизаторі вручну. Статичний маршрутизатор може бути окремим маршрутизуючим пристроєм, або NT-сервером з декількома мережними інтерфейсами (цей варіант обговорюється нижче в розділі «Системи з декількома мережними інтерфейсами й IP-маршрутизація»).

Статична таблиця маршрутизації визначає зв’язок між мережами й інтерфейсами шлюзу або маршрутизатора для доступу до них. Статична таблиця маршрутизації складається з п’яти стовпців:

• адреса мережі. Адреса кожної відомої мережі, включаючи локальну адресу (0.0.0.0) і широкомовну адресу (255.255.255.255);
• маска мережі. Маска підмережі, використовувана для кожної з мереж;
• адреса шлюзу. ІP-адреса вхідної точки (інтерфейсу маршрутизатора) для кожної мережі;
• інтерфейс. ІP, призначений мережному інтерфейсу;
• метрика. Кількість ретрансляцій («хопів») для досягнення мережі.

У табл. 7.4.2 наведено приклад таблиці маршрутизації.

Таблиця 7.4.2 Найпростіша статична таблиця маршрутизації

Мережа	Маска	Метрика	Інтерфейс	Шлюз
0.0.0.0 (шлях за замовчуванням)	0.0.0.0	1	10.57.11.169	10.57.8.1
127.0.0.0 (локальна адреса)	255.0.0.0	1	127.0.0.1	127.0.0.1
10.57.8.0 (адреса локальної підмережі)	255.255.248.0	1	10.57.11.169	10.57.11.169
10.57.11.169 (інтерфейс мережної карти)	255.255.255.255	1	127.0.0.1	127.0.0.1
10.57.255.255 (широкомовна адреса підмережі)	255.255.255.255	1	10.57.11.169	10.57.11.169
224.0.0.0 (групова адреса)	224.0.0.0	1	10.57.11.169	10.57.11.169
255.255.255.255 (обмежена широкомовна адреса)	255.255.255.255	1	157.57.11.169	10.57.11.169

Під час роботи зі статичними таблицями маршрутизації необхідно запам’ятати, що:

• статичний маршрутизатор може взаємодіяти тільки з тими мережами, які були внесені в таблицю маршрутизації;
• статичний маршрут може бути визначений як адреса шлюзу (точка входу) у таблиці маршрутизації.

Шлюзи. Шлюз — це спеціальний комп’ютер або маршрутизатор, що має повніший список навколишніх мереж, ніж звичайний комп’ютер однієї з мереж. Коли дані спрямовуються на один з комп’ютерів поза поточною мережею, вони передаються на шлюз. Шлюз (маршрутизатор) читає заголовок пакетів і визначає, є вузол-адресат локальним (тобто чи перебуває він в одній з мереж, до яких підключений маршрутизатор) або ж пакет має бути ретрансльований на шлюз за замовчуванням. В остаточному підсумку пакет досягає пункту призначення або ж відправник отримує повідомлення про помилку, у якому зазначене, чому розподіл пакета не вдався. Може бути визначено більше одного шлюзу за замовчуванням, проте для маршрутизації використовуватиметься тільки перший. Інші шлюзи використовуватимуться тільки в тому разі, якщо основний шлюз відключений від мережі або недосяжний. Це може поліпшити продуктивність мережі, особливо при помилках передачі або значній завантаженості мережі.

Динамічна ІP-маршрутизація. Динамічна маршрутизація зазвичай переважніше статичної в більших мережах зі складною архітектурою, оскільки вона дозволяє уникнути стомлюючої ручної підтримки величезної кількості таблиць маршрутизації. При динамічній маршрутизації навантаження на адміністратора мережі мінімальне й часто обмежується просто вказівкою шлюзу за замовчуванням для кожного маршрутизатора. Всі інше настроювання й створення таблиць маршрутизації відбуваються автоматично за допомогою протоколу маршрутизації.

Два найчастіше використовуваних протоколи для ТСР/IP-маршрутизації — це RІP (Routing Information Protocol, протокол керування маршрутизацією) і OSPF (Open Shortest Path First, відкрий найкоротший шлях першим). Обидва ці протоколи створюють мережний трафік при відновленні таблиць маршрутизації, але RІP є більш «балакучим» протоколом порівняно з OSPF (він передає мережею через регулярні проміжки часу всі таблиці маршрутизації, у той час як OSPF передає мережею тільки зміни в таблицях). Тому OSPF частіше використовується в більших мережах, a RІP зазвичай використовується для «локальної маршрутизації» на одному вузлі. OSPF може зв’язувати між собою трохи RІP-доменів. Це приводить до утворення «ієрархії протоколів», що з’являється в багатьох мережах, у яких OSPF реалізований не повністю.

Протокол керування маршрутизацією (RІP). RІP визначає кількість ретрансляцій для кожного з певних шляхів і використовує цю інформацію для вибору найефективнішого шляху.

Слід пам’ятати, що таблиця маршрутизації, підтримувана RІP, містить таку інформацію:

• ІP-адреса вузла призначення;
• кількість ретрансляцій («хопів») — від 0 до 15;
• ІP-адреса наступного маршрутизатора в шляху;
• час доставки для кожного шляху;
• час зміни інформації про маршрутизацію.

Якби RІP не стежив за кількістю ретрансляцій, могла б виникнути проблема підрахунку нескінченності. У деяких мережах, коли канал виявляється недоступним, RІP починає послідовний пошук кращого альтернативного шляху, що може привести до виникнення логічного циклу. Такий цикл може повторюватися необмежено. Для того щоб уникнути подібних ситуацій, RІP підтримує лічильник ретрансляцій, що може мати значення від 1 до 15. Коли ця межа виявляється перевищеною для шляху, що перевіряється, шлях вважається нескінченним і вилучається з таблиці маршрутизації. У більших мережах можуть виникнути проблеми з розподілом пакетів, якщо це значення буде занадто малим. Аналогічно, шлях, що проходить через 16 або більше проміжних пунктів, не працюватиме з RІP (16 і нескінченність — синоніми для RІP). RІP дозволяє використовувати тільки один шлях в один момент часу між двома вузлами, тому він не може розподіляти пакети по шляхах залежно від навантаження або розподіляти навантаження по декількох каналах. Інший недолік RІP — постійне широкомовне розсилання таблиць маршрутизації (яке й дозволяє називати цей протокол «балакучим»). Це дає можливість кожному маршрутизатору становити свою таблицю маршрутизації, ґрунтуючись як на власних даних, так і на даних інших комп’ютерів мережі. Якщо в мережі у наявності кілька маршрутизаторів, то таке розсилання може помітно знизити продуктивність мережі. Зазвичай широкомовні розсилання виконуються кожні 30 секунд і можуть бути збільшені до 60 секунд.

Відкрий найкоротший шлях першим (OSPF). У порівнянні з RІP OSPF є «протоколом другого покоління» і має безліч переваг (докладно вони описані нижче): OSPF створює менше навантаження на мережу, підтримує мережі значно більшого розміру, істотно менш «балакучий» і підтримує множинні шляхи між вузлом-відправником і вузлом-адресатом.

• Кожному каналу може бути присвоєна своя вага (кількість ретрансляцій).
• Обмеження на кількість ретрансляцій («хопів») — 65 535.
• Кожний вузол містить базу мережних шляхів у вигляді дерева, у вершині якого перебуває даний вузол.
• Якщо існують шляхи з однаковою вагою, навантаження розподіляється між ними.
• Широкомовне розсилання таблиць маршрутизації здійснюється тільки з появою змін.
• Повідомлення про зміни в таблиці маршрутизації відправляються тільки маршрутизаторам, безпосередньо пов’язаним з даним. Такий метод «прочитай сам і передай далі» зменшує навантаження на мережу.

Протокол OSPF може бути реалізований як єдиний протокол маршрутизації в мережі (комп’ютерною мовою це називається «однорідне маршрутизируюче оточення» або «однорідна маршрутизируюча система»). Тоді кожний маршрутизатор підтримує власну таблицю маршрутизації, але має зберігати інформацію тільки про безпосередньо підключені до нього підмережі і лише про ті маршрутизатори, які йому безпосередньо доступні (так звані суміжні маршрутизатори).

Інтеграція статичної й динамічної маршрутизації. Статичні й динамічні таблиці маршрутизації можуть бути інтегровані шляхом визначення в кожній статичній таблиці шляхів до динамічних маршрутизаторів і визначення шляхів до пристроїв, що використовують статичні таблиці маршрутизації, на динамічних маршрутизаторах. Такі двосторонні посилання дозволяють динамічному маршрутизатору працювати як шлюз між мережами зі статичною маршрутизацією. Фактично, це загальний підхід, що дозволяє невеликим нескладним мережам взаємодіяти одна з одною.

Наведена технологія розсилань дозволяє динамічному маршрутизатору працювати як шлюз між мережами, що використовують статичну маршрутизацію, статичні й динамічні таблиці маршрутизації не можуть взаємодіяти між собою й обмінюватися інформацією про маршрутизацію. Оскільки статичні таблиці маршрутизації можуть змінюватися тільки вручну, така взаємодія неможлива.