Podstawy Routingu

Routing: wybór trasy w sieci

Przykład trasy z Warszawy do Krakowa pokazuje, że wybór zależy od dostępnych dróg. W sieciach komputerowych routing oznacza wybór trasy dla pakietu między różnymi sieciami. Decyzję wykonują wyspecjalizowane urządzenia zwane routerami.

Routing określa sposób przekazywania pakietów między sieciami. Router analizuje adres docelowy pakietu, wybiera następny etap i przekazuje pakiet w kierunku sieci docelowej. Decyzja jest podejmowana na każdym routerze osobno, więc trasa może zmieniać się na kolejnych odcinkach. Celem routingu jest wybór najlepszej ścieżki zgodnie z metryką, polityką i stanem dostępnych tras, przy zachowaniu osiągalności celu.

Tablica routingu

Router podejmuje decyzję na podstawie reguł przechowywanych w bazie danych zwanej tablicą routingu. Dla każdego znanego prefiksu docelowego tablica routingu przechowuje informacje potrzebne do przekazania pakietu: "Do sieci docelowej X wyślij pakiet do następnego routera Y przez lokalny interfejs Z." Przy kilku pasujących wpisach router wybiera bardziej szczegółowy prefiks, czyli stosuje regułę najdłuższego dopasowania. Wpis może oznaczać sieć bezpośrednio podłączoną, trasę statyczną albo trasę poznaną przez protokół dynamiczny.

Tablica może być budowana z tras bezpośrednich, statycznych i dynamicznych, a następnie używana przez mechanizm przekazywania. Sposób jej tworzenia i utrzymywania prowadzi do podziału metod routingu na statyczne i dynamiczne.

Routing statyczny: konfiguracja ręczna

Routing statyczny polega na ręcznym zdefiniowaniu prefiksu docelowego, maski lub długości prefiksu oraz następnego przeskoku. Administrator może wskazać także interfejs wyjściowy i konfiguruje wpisy na routerach zgodnie z planowaną topologią.

Przykład: Stała trasa może wskazywać kolejno autostradę A4 i zjazd nr 23. W konfiguracji sieci podobny wpis pozostaje aktywny do czasu jego zmiany albo usunięcia.

Zalety Routingu Statycznego

• Prostota i niski narzut: Wpisy są proste i nie wymagają uruchamiania protokołu wymieniającego trasy. Router nie zużywa przepustowości łącza na takie komunikaty, choć nadal utrzymuje wpisy w swoich strukturach przekazywania i wykonuje wyszukiwanie adresu.
• Przewidywalność i kontrola: Administrator określa następny przeskok i interfejs dla każdej trasy. Taka konfiguracja daje bezpośrednią kontrolę nad wyborem ścieżki oraz pozwala ograniczyć ją do wymaganych prefiksów.
• Ograniczenie ogłoszeń: Routing statyczny nie wymienia informacji o trasach przez protokół dynamiczny, więc ogranicza ujawnianie topologii w takich komunikatach. Sam wpis statyczny nie zastępuje filtrów ani kontroli dostępu.

Wady Routingu Statycznego

• Brak automatycznej adaptacji: Po awarii łącza lub routera trasa statyczna wskazująca uszkodzoną ścieżkę pozostaje nieosiągalna, dopóki administrator jej nie zmieni. Wpisy korzystające z tej ścieżki mogą wtedy powodować odrzucanie pakietów. Alternatywny wpis albo mechanizm śledzenia może zmienić to zachowanie.
• Problemy ze skalowalnością: Ręczna konfiguracja sprawdza się w małych sieciach z kilkoma routerami. W sieci z setkami lub tysiącami routerów utrzymanie tras do wielu prefiksów zwiększa liczbę zmian i ryzyko błędów.
• Obciążenie administracyjne: Dodanie nowego segmentu wymaga ręcznej aktualizacji tablic na odpowiednich routerach. W dużej topologii ta sama zmiana może dotyczyć wielu urządzeń.

Routing dynamiczny: wymiana informacji

Routing dynamiczny pozwala routerom wymieniać informacje o osiągalności i aktualizować trasy po zmianach topologii. Wymaga konfiguracji protokołu oraz czasu na konwergencję.

Przykład: Aplikacja Waze przelicza trasę po zmianie warunków drogi. Protokół routingu wykonuje podobną aktualizację po zmianie stanu łącza, prefiksów lub metryk. Protokoły routingu nie muszą jednak wymieniać informacji o korkach ani chwilowym przeciążeniu.

Jak Działa Routing Dynamiczny?

Routery używające protokołów dynamicznych wymieniają ogłoszenia o prefiksach, sąsiadach i metrykach. Częstotliwość oraz treść komunikatów zależy od protokołu, a aktualizacje mogą być okresowe lub wywołane zmianą. Router buduje własną tablicę na podstawie otrzymanych informacji i lokalnych reguł wyboru trasy.

Zalety Routingu Dynamicznego

• Adaptacja po awarii: Po awarii łącza protokół może rozesłać zmianę i obliczyć inną trasę, jeśli taka trasa jest dostępna. Dostępność alternatywy zależy od topologii i polityki. Ruch wraca wtedy na nową ścieżkę po zakończeniu konwergencji.
• Skalowalność: W dużych sieciach protokoły dynamiczne automatyzują wymianę informacji o rosnącej liczbie prefiksów i zmianach topologii.
• Mniejsze obciążenie administracyjne: Administrator utrzymuje konfigurację protokołu zamiast zmieniać każdy wpis po każdej zmianie topologii.

Wady Routingu Dynamicznego

• Zużycie zasobów: Protokoły routingu używają CPU i RAM do obliczeń oraz przepustowości łączy do wymiany komunikatów. Rozmiar tego narzutu zależy od liczby prefiksów, sąsiedztw i częstotliwości aktualizacji.
• Złożoność: Konfiguracja i diagnozowanie protokołu dynamicznego wymaga znajomości jego sąsiedztw, metryk i stanu konwergencji.

Protokoły routingu

Routery używają wyspecjalizowanych protokołów do wymiany informacji o trasach. Warto rozróżnić protokół przenoszący pakiety od protokołu budującego tablicę routingu.

• Protokół rutowalny (np. IP): Jest to protokół, którego pakiety są przekazywane. Dostarcza adresację logiczną, w tym adres źródłowy i docelowy. Przykłady to IP i IPX.
• Protokół routingu (np. OSPF, BGP): Routery używają go do wymiany informacji między sobą. Informacje służą do budowania tablic, które następnie kierują pakiety protokołu rutowalnego.

Protokoły wewnątrz i między systemami autonomicznymi

Internet składa się z wielu systemów autonomicznych. Sieć uniwersytetu, korporacji lub dostawcy usług internetowych (ISP) może być zarządzana przez jedną organizację i jest znana jako System Autonomiczny (AS). Wyróżnia się dwie główne kategorie protokołów routingu, zależnie od tego, czy działają wewnątrz, czy pomiędzy tymi systemami autonomicznymi. Numer ASN identyfikuje system w wymianie informacji między operatorami.

Wybór trasy: metryki i konwergencja

Metryki routingu: koszt trasy

Gdy protokół routingu dynamicznego zna wiele tras do tego samego celu, porównuje je zgodnie z własną metryką i polityką. W protokołach minimalizujących koszt trasa o niższej metryce ma pierwszeństwo. Różne protokoły używają różnych metryk:

• Liczba przeskoków (hopów): RIP zlicza routery na trasie. Przy tej metryce mniejsza liczba przeskoków daje niższy koszt, a wartość 16 oznacza nieskończoność w RIP.
• Szerokość pasma: OSPF używa kosztu interfejsu, który w typowej konfiguracji wiąże się odwrotnie z przepustowością, a następnie sumuje koszty na trasie. Sama szerokość pasma nie jest nazwą metryki OSPF, ponieważ protokół porównuje skonfigurowane koszty.
• Opóźnienie (latency): Czas potrzebny na przejście pakietu przez łącze. EIGRP uwzględnia opóźnienie w swojej metryce złożonej.
• Obciążenie: Stopień wykorzystania łącza. EIGRP może uwzględniać obciążenie po odpowiedniej konfiguracji.
• Niezawodność: Wartość opisująca niezawodność łącza, którą EIGRP może uwzględniać w metryce razem z opóźnieniem i obciążeniem, zależnie od ustawionych wag.
• Koszt: Wartość protokołu lub konfiguracji administratora, używana do porównania tras.

Konwergencja po zmianie topologii

Proces, w którym routery dochodzą do spójnego obrazu informacji routingowych po zmianie, nazywa się konwergencją.Czas konwergencji wpływa na ciągłość przekazywania po awarii łącza. Obejmuje wykrycie zmiany, propagację informacji i obliczenie nowych ścieżek. W tym okresie pakiety mogą zostać utracone albo trafić do pętli, a część prefiksów może chwilowo nie mieć użytecznej trasy. Protokoły używają komunikatów sąsiedztwa, timerów i własnych algorytmów obliczeń. RIP, OSPF i EIGRP używają odmiennych mechanizmów aktualizacji i obliczeń, więc ich czas konwergencji zależy od konfiguracji, timerów i topologii.