Routing

Co to jest routing? Wyznaczanie trasy i wysłanie nią pakietu danych w sieci komputerowej. Urządzenie węzłowe, w którym kształtowany jest ruch sieciowy, nazywane jest routerem – jego rolę może pełnić np. komputer stacjonarny czy oddzielne dedykowane urządzenie. Pakiety przesyłane przez sieć opatrzone są adresem nadawcy i odbiorcy. Zadaniem routerów jako węzłów pośrednich między nadawcą a odbiorcą jest przesłanie pakietów do celu po jak najlepszej ścieżce. Typowy router bierze pod uwagę tylko informacje z nagłówka IP, czyli sprawdza tylko informacje z warstwy sieci (trzeciej) modelu OSI. Obowiązkiem routera IP przy przekazywaniu pakietu dalej do celu jest obniżenie o jeden wartości TTL (ang Time To Live, czas życia). Datagram IP, który trafia do routera z wartością 1 (a zostanie ona zmniejszona na tym routerze do 0) w polu TTL zostanie utracony, a do źródła router odsyła datagram ICMP z kodem TTL Exceeded.

Routery utrzymują tablice trasowania, na podstawie których kierują pakiety od określonych nadawców do odbiorców, bądź kolejnych routerów. Tablica może być budowana statycznie (trasowanie statyczne) lub dynamicznie (protokoły trasowania dynamicznego, takie jak RIP, IGRP, EIGRP, OSPF, BGP, IS-IS). Trasowanie ma na celu możliwie najlepiej (optymalnie) dostarczyć pakiet do celu. Pierwotnie jedynym kryterium wyboru było posiadanie jak najdokładniejszej trasy do celu, ale obecnie protokoły trasowania mogą uwzględniać podczas wyboru trasy również takie parametry jak priorytet pakietu (standardy ToS/DSCP), natężenie ruchu w poszczególnych segmentach sieci itp. W przypadku trasowania brzegowego (wykorzystującego BGP) w Internecie wybór trasy jest silnie związany z polityką poszczególnych dostawców (i zawartymi między nimi umowami o wymianie ruchu) i bywa daleki od optymalnego. Popularnym algorytmem służącym do wyznaczania tras w sieciach wewnętrznych jest algorytm Dijkstry wyznaczania najkrótszej ścieżki w grafie (np. OSPF).

Co to jest protokół routingu? Używany jest do wymiany informacji o trasach pomiędzy sieciami komputerowymi, co pozwala na dynamiczną budowę tablic trasowania. Tradycyjne trasowanie jest bardzo proste, bo polega na wykorzystaniu tylko informacji o następnym "przeskoku" (ang. hop). W tym przypadku router tylko kieruje pakiet do następnego routera, bez uwzględnienia na przykład zbyt wielkiego obciążenia czy awarii na dalszej części trasy. Mimo że dynamiczne trasowanie jest bardzo skomplikowane, to właśnie dzięki niemu Internet jest tak elastyczny i rozwinął się o ponad 8 rzędów wielkości w ciągu ostatnich 40 lat. Protokoły trasowania robią dwie proste rzeczy: mówią światu, kim są sąsiedzi mówią sąsiadom, jak wygląda świat Metryka trasowania jest wartością używaną przez algorytmy trasowania do określenia, która trasa jest lepsza. Brane są pod uwagę: szerokość pasma, opóźnienie, liczba przeskoków, koszt ścieżki, obciążenie, MTU, niezawodność, koszt komunikacji. Tylko najlepsze trasy przechowywane są w tablicach trasowania, podczas gdy inne mogą być przechowywane w bazach danych. Jeśli router korzysta z mechanizmów równoważenia obciążenia (ang. load balancing), w tablicy trasowania może wystąpić kilka najlepszych tras. Router będzie je wykorzystywał równolegle, rozpraszając obciążenie równomiernie pomiędzy trasami.

Metryka trasowania jest wartością używaną przez algorytmy trasowania do określenia, która trasa jest lepsza. Brane są pod uwagę: szerokość pasma, opóźnienie, liczba przeskoków, koszt ścieżki, obciążenie, MTU, niezawodność, koszt komunikacji. Tylko najlepsze trasy przechowywane są w tablicach trasowania, podczas gdy inne mogą być przechowywane w bazach danych. Jeśli router korzysta z mechanizmów równoważenia obciążenia (ang. load balancing), w tablicy trasowania może wystąpić kilka najlepszych tras. Router będzie je wykorzystywał równolegle, rozpraszając obciążenie równomiernie pomiędzy trasami.

Protokoły trasowania dynamicznego Routing Information Protocol (RIP) – protokół bram wewnętrznych (IGP), oparty jest na zestawie algorytmów wektorowych, służących do obliczania najlepszej trasy do celu. Używany jest w systemach autonomicznych korzystających z protokołu IP (zarówno wersji 4 jak i 6). Dzisiejszy otwarty standard protokołu RIP jest opisany w dokumentach RFC 1058 i STD 56. Obecnie najczęściej wykorzystywana jest druga wersja protokołu RIP (RIPv2). Jest to protokół trasowania działający na podstawie wektora odległości, Do utworzenia metryki stosuje się jedynie liczbę przeskoków (liczba kolejnych routerów na danej trasie), Jeżeli liczba przeskoków osiągnie 15, pakiety na następnym routerze zostaną odrzucone Aktualizacje trasowania są rozgłaszane tylko do routerów sąsiednich, RIP wysyła informacje o trasach w stałych odstępach czasowych (domyślnie co 30 sekund) oraz po każdej zmianie topologii sieci

IGRP (ang. Interior Gateway Routing Protocol) – protokół trasowania bramy wewnętrznej, będący jednym z protokołów sieciowych kontrolujących przepływ pakietów wewnątrz systemu autonomicznego (ang. Autonomous System, AS) – części sieci tworzącej spójną całość. Od wersji systemu operacyjnego IOS 12.3, stworzonego przez Cisco Systems, protokół IGRP nie jest już wspierany. Działa na podstawie algorytmu wektora odległości. Decyzje co do ścieżki, na którą skierować pakiet, są podejmowane przez router wykorzystujący IGRP na podstawie metryki złożonej, wyliczonej z szerokości pasma, obciążenia, opóźnienia i niezawodności. Informacje o dostępności tras, wraz z parametrami łącza potrzebnymi do wyliczenia metryki, są rozgłaszane cyklicznie (domyślnie co 90 sekund) oraz po zmianie stanu sieci. Jest to protokół „własnościowy”, opracowany przez firmę Cisco i może być implementowany tylko w urządzeniach jej produkcji lub firm posiadających odpowiednią licencję. IGRP jest protokołem trasowania klasowego, czyli opartego na klasach sieci, w przeciwieństwie do jego następcy – EIGRP. Standardowy dystans administracyjny dla tras wyznaczonych przy pomocy tego protokołu wynosi 100.

EIGRP (ang. Enhanced Interior Gateway Routing Protocol) – hybrydowy protokół trasowania opracowany przez Cisco Systems operujący na algorytmie wektora odległości. Jest przeznaczony do trasowania wewnątrz systemu autonomicznego (IGP). Od protokołów trasowania stanu łącza odróżnia go fragmentaryczna wiedza o strukturze sieci (zna on jedynie połączenia do swoich sąsiadów), a co za tym idzie, do przeliczania tras nie wykorzystuje algorytmu Dijkstry Shortest Path First. Do przeliczania tras protokół EIGRP używa maszyny DUAL FSM (ang. Diffused Update Algorithm Finite State Machine). Stosowany jest on w sieciach o wielkości nieprzekraczającej 50 routerów, wykorzystuje płaską strukturę sieci z podziałem na systemy autonomiczne i używa złożonej metryki. Do transportu pakietów wykorzystuje protokół Reliable Transport Protocol. EIGRP jest chętnie używany, ze względu na łatwą konfigurację, obsługę VLSM i krótki czas konwergencji.

OSPF (ang. Open Shortest Path First), w wolnym tłumaczeniu: „pierwszeństwo ma najkrótsza ścieżka”  protokół trasowania oparty o analizę stanu łącza (ang. link-state). Jest jednym z protokołów bramy wewnętrznej IGP  czyli kontroluje przepływ pakietów wewnątrz systemu autonomiczneg (ang. Autonomous System, AS). Cechami protokołu OSPF są: trasowanie wielościeżkowe, trasowanie najmniejszym kosztem i równoważenie obciążenia. Zdefiniowany on został jako OSPF wersja 2. w RFC 2328 ↓ dla IPv4, a aktualizacja dla IPv6 jako OSPF wersja 3. w RFC 5340 ↓. Jest zalecanym protokołem wśród protokołów niezależnych, do których należy także RIP. W przeciwieństwie do protokołu RIP, charakteryzuje się dobrą skalowalnością, wyborem optymalnych ścieżek, przyspieszoną zbieżnością i brakiem ograniczenia skoków powyżej 15. Protokół OSPF używa hierarchicznej struktury sieci z podziałem na obszary, z centralnie umieszczonym obszarem zerowym (ang. area 0), który pośredniczy w wymianie tras między wszystkimi obszarami w domenie OSPF. Przeznaczony jest dla sieci posiadających do 500 routerów w wyznaczonym obszarze trasowania. Routery korzystające z tego protokołu porozumiewają się ze sobą za pomocą pięciu komunikatów: hello – nawiązywanie i utrzymywanie relacji sąsiedzkich, database descriptions – opis przechowywanych baz danych, requests link-state – żądanie informacji na temat stanów połączeń, updates link-state – aktualizacja stanów połączeń, acknowledgments links-state – potwierdzenia stanów połączeń. OSPF jest protokołem typu link-state jedynie wewnątrz obszaru. Oznacza to, że w ramach pojedynczego obszaru wszystkie routery znają całą jego topologię i wymieniają się między sobą informacjami o stanie łączy, a każdy z nich przelicza trasy samodzielnie

BGP (ang. Border Gateway Protocol) zewnętrzny protokół trasowania (routingu). BGP w wersji czwartej jest podstawą działania współczesnego internetu. Istnieje wiele rozszerzeń BGP stosowanych przy implementacji MPLS VPN, IPv6 czy Multicast VPN. Jest protokołem wektora ścieżki umożliwiającym tworzenie niezapętlonych ścieżek pomiędzy różnymi systemami autonomicznymi. Obecny otwarty standard protokołu BGP jest opisany w dokumentach RFC 4271 i 1771. Protokół ten nie używa tradycyjnych metryk - analogiczną funkcję (determinanty wyboru trasy) pełnią atrybuty i algorytm wyboru. BGP pozwala na pełną redundancję w połączeniu z Internetem, jest również używany do połączenia dwóch systemów autonomicznych, do wymiany ruchu między tymi systemami. Protokół BGP funkcjonuje w oparciu o protokół warstwy 4 modelu OSI (port TCP o numerze 179). Zapewnia to, że aktualizacje są wysyłane w sposób niezawodny, dzięki czemu w BGP niepotrzebne są mechanizmy retransmisji, segmentacji, itp. Routery zestawiają pomiędzy sobą sesje BGP, dzięki którym mogą wymieniać się informacjami o dostępnych trasach (prefiksach) i wyznaczać najlepszą niezapętloną ścieżkę do sieci docelowych.

Schemat zmiany stanów połączenia BGP

IS-IS (ang. Intermediate System to Intermediate System) – protokół trasowania stanu łącza (ang. link-state) oparty na otwartych standardach. Jest protokołem bramy wewnętrznej – IGP (ang. Interior Gateway Protocol) – czyli używany może być wewnątrz systemu autonomicznego. Opisany został w dokumencie RFC 1142 ↓. Używa algorytmu Dijkstry, by znaleźć najlepszą ścieżkę w sieci do transportu pakietów danych. Protokół IS-IS został zaprojektowany przez Digital Equipment Corporation jako V faza DECnet. Ustandaryzowany przez ISO w 1992 jako ISO 10589. Zadaniem IS-IS było umożliwienie trasowania datagramów protokołu warstwy trzeciej OSI/ISO –  CLNS (odpowiednika IP). IS-IS był rozwijany jeszcze przed pracami IETF nad protokołem OSPF. Później został on rozszerzony o możliwość trasowania datagramów protokołu IP (podstawowy protokół używany w Internecie). Ta wersja IS-IS została nazwana jako zintegrowany IS-IS.