Kryzys Skalowalności Internetu: Analogia Poczty

Wyobraźmy sobie internet jako ogromną, globalną sieć pocztową. Urządzenia odpowiedzialne za kierowanie pocztą to routery, a ich książki adresowe to ich tablice routingu.

We wczesnych dniach internetu z adresacją klasową było to jak centralna poczta, która potrzebowała osobnej przegródki na każdy pojedynczy adres uliczny w całym kraju. Gdy dodawano tysiące, a potem miliony małych sieci (jak pojedyncze ulice), rozmiar tej książki adresowej eksplodował. Routery w szkielecie internetu stawały się przeciążone, mając trudności z przechowywaniem i wyszukiwaniem milionów indywidualnych tras. To nie była zrównoważona ścieżka rozwoju.

Rozwiązaniem było zaprzestanie myślenia o pojedynczych ulicach i rozpoczęcie myślenia o całych miastach czy regionach. Poczta nie musi znać każdej ulicy w Krakowie; wystarczy jej jeden duży kontener z etykietą „Cała Poczta do Krakowa”. To jest esencja Agregacji Tras.

Jest to hierarchiczne podejście do routingu, które jest fundamentalne dla skalowalności współczesnego internetu.

Kluczowa Terminologia: Agregacja, Sumaryzacja i Supernetting

Te terminy są często używane zamiennie, ale mają subtelne różnice:

• Agregacja Tras: To najszerszy termin, opisujący ogólną koncepcję łączenia wielu tras w jedną. Najczęściej jest używany w kontekście BGP (Border Gateway Protocol) przy łączeniu tras między różnymi systemami autonomicznymi w globalnym internecie.
• Sumaryzacja Tras: Ten termin jest najczęściej używany w kontekście protokołów bramy wewnętrznej (IGP), takich jak OSPF i EIGRP. Odnosi się do praktyki sumaryzowania tras na granicy między różnymi obszarami lub częściami sieci jednej organizacji w celu zmniejszenia złożoności routingu wewnątrz tej organizacji.
• Supernetting: Jest to bardziej techniczny termin opisujący wynik agregacji. Jest to proces tworzenia „super sieci” (supernet) przez użycie maski podsieci, która jest krótsza (ma mniej bitów o wartości '1') niż domyślna maska dla danej klasy adresowej. W efekcie odwraca proces podziału na podsieci. Od czasu wprowadzenia CIDR termin ten jest rzadziej spotykany, ale koncepcja jest taka sama.

Na potrzeby tej lekcji będziemy używać terminów „agregacja” i „sumaryzacja” jako w dużej mierze synonimów. Podstawowy proces matematyczny jest identyczny dla wszystkich trzech.

Matematyka Sumaryzacji: Szczegółowy Przewodnik

Agregacja tras to precyzyjny, bitowy proces. Prześledźmy przykład, aby zobaczyć, jak się to robi. Dostawca usług internetowych musi rozgłosić trasę sumaryczną dla czterech klientów, którym przydzielił sąsiadujące sieci /24:

• 217.15.112.0/24
• 217.15.113.0/24
• 217.15.114.0/24
• 217.15.115.0/24

Krok 1: Przekonwertuj Adresy na Postać Binarną

Pierwsze dwa oktety są takie same (217.15), więc nie musimy ich analizować. Różnica zaczyna się w trzecim oktecie. Przekonwertujmy te kluczowe oktety na 8-bitową postać binarną:

• 112 → 01110000
• 113 → 01110001
• 114 → 01110010
• 115 → 01110011

Krok 2: Znajdź Wspólne, Pasujące Bity

Teraz układamy je w jednej linii i szukamy najdłuższego ciągu bitów, które są identyczne dla wszystkich adresów, czytając od lewej do prawej.

01110000
01110001
01110010
01110011

Czytając od lewej, widzimy, że pierwszych 6 bitów (011100) jest takich samych dla wszystkich czterech liczb. Siódmy bit jest miejscem, w którym po raz pierwszy się różnią (0 vs 1).

Zatem długość wspólnego prefiksu dla tych adresów jest określona przez liczbę pasujących bitów.

Krok 3: Oblicz Trasę Sumaryczną (Adres i Prefiks)

Znaleźliśmy naszą granicę.

• Nowa długość prefiksu: Pierwsze dwa oktety były całkowicie wspólne (8 + 8 = 16 bitów). Dodajemy 6 pasujących bitów z trzeciego oktetu.
  Całkowita długość prefiksu = $16 + 6 = 22$. Nasz nowy prefiks to /22.
• Adres sieci: Adres sieci trasy sumarycznej znajduje się, biorąc pierwszy adres IP z bloku (217.15.112.0) i ustawiając wszystkie bity po nowej granicy prefiksu na zero. W tym przypadku pierwsze 22 bity to 217.15.011100.... Ustawiając resztę na zero: 217.15.01110000.0, co daje 217.15.112.0.

Złote Zasady Sumaryzacji

Aby sumaryzacja tras działała poprawnie i wydajnie, należy przestrzegać kilku kluczowych zasad.

• Zasada 1: Niezbędne Są Ciągłe Bloki.

  Możesz zsumaryzować blok adresów tylko wtedy, gdy są one ciągłe, co oznacza, że następują po sobie bez żadnych przerw. Możesz zsumaryzować sieci od 10.1.8.0/24 do 10.1.11.0/24, ale nie możesz utworzyć jednej sumaryzacji dla 10.1.8.0/24 i 10.1.20.0/24 bez uwzględnienia wszystkich sieci pomiędzy nimi.

• Zasada 2: Kluczowe Jest Hierarchiczne Planowanie Adresacji.

  Efektywna sumaryzacja wymaga starannego, hierarchicznego planowania alokacji adresów IP. Dostawcy usług internetowych i duże organizacje planują swoje sieci geograficznie i logicznie. Na przykład ISP może przydzielić jeden duży blok dla swoich operacji na wschodzie kraju, a drugi na zachodzie. Blok wschodni jest następnie dzielony na mniejsze dla każdego województwa, a te z kolei dla miast. Taka struktura pozwala na sumaryzację na każdym poziomie, utrzymując tablice routingu małymi i wydajnymi.

• Zasada 3: Wymagany Jest Routing Bezklasowy.

  Podobnie jak w przypadku VLSM, sumaryzacja tras jest możliwa tylko z protokołami routingu, które ją obsługują. Oznacza to używanie protokołów bezklasowych (takich jak OSPF, EIGRP, BGP), które przesyłają długość prefiksu wraz z adresem sieci. Protokoły klasowe, takie jak RIPv1, nie rozumieją tras sumarycznych, które przekraczają granice klasowe (np. maski /22) i nie byłyby w stanie ich poprawnie przetworzyć.

Korzyści i Kompromisy Agregacji Tras

Główne Korzyści

• Mniejsze Tablice Routingu: To jest główny cel. Mniejsza liczba tras oznacza, że routery potrzebują mniej pamięci (RAM) i mniej mocy procesora do przeszukiwania tabeli, co prowadzi do szybszych decyzji o przekazywaniu pakietów.
• Poprawiona Stabilność Sieci: Sumaryzacja może ukryć lokalną niestabilność sieci. Wyobraź sobie, że jedna z sieci klienta w naszym przykładzie często „faluje” (często się włącza i wyłącza). Bez sumaryzacji spowodowałoby to stały strumień aktualizacji routingu zalewający cały internet. Z sumaryzacją, dopóki sama trasa sumaryczna pozostaje ważna (tj. co najmniej jedna z podsieci jest dostępna), niestabilność jest ograniczona do sieci ISP i nie jest rozgłaszana do globalnego szkieletu.
• Zmniejszony Narzut Protokołu Routingu: Wysyłając jedną trasę sumaryczną zamiast dziesiątek lub setek tras szczegółowych, routery znacznie zmniejszają ilość przepustowości zużywanej przez komunikaty aktualizacyjne protokołu routingu.

Potencjalne Wady i Uwagi

• Routing Suboptymalny: Agregacja może czasami prowadzić do mniej precyzyjnego routingu. Router zewnętrzny wobec ISP zna tylko jedną ścieżkę do bloku sumarycznego /22. Jeśli zdarzy się, że istnieje lepsza, bardziej bezpośrednia ścieżka do jednej z konkretnych podsieci /24 wewnątrz tego bloku (być może przez innego ISP), router zewnętrzny nie będzie o tym wiedział i zawsze będzie wysyłał ruch przez mniej optymalną trasę sumaryczną.
• Tworzenie „Czarnych Dziur”: Jeśli sumaryzacja zostanie niepoprawnie skonfigurowana i jedna z sumaryzowanych sieci stanie się nieosiągalna, ale trasa sumaryczna wciąż będzie rozgłaszana, ruch przeznaczony dla niedostępnej sieci zostanie wysłany w obszar sumaryczny, a następnie odrzucony, tworząc „czarną dziurę”. Wymaga to starannego projektowania sieci.