Основы IP маршрутизации

1. Основы IP маршрутизации

Профессор В.Ю. Деарт

2. Определение

• Маршрутизация - это процесс определения в коммуникационной
сети (наилучшего) пути, по которому пакет может достигнуть
адресата.
• Под IP-маршрутизацией, мы будем понимать процесс
определения в коммуникационной сети (наилучшего) пути, по
которому пакет может достигнуть адресата в IP-сети. В процессе
определения пути участвуют не только маршрутизатор источник,
но и промежуточные маршрутизаторы.
• Каждый маршрутизатор принимает решение о продвижении на
основе содержимого своих локальных таблиц IP-маршрутизации.

3. Заполнение маршрутной таблицы

• Записи таблицы IP-маршрутизации создаются тремя основными
источниками:
• программным обеспечением стека TCP/IP (это записи о
непосредственно подключенных сетях и основных шлюзах,
информация о которых вводится при ручной настройке сетевых
подключений компьютера, а также записи о некоторых адресах
особого назначения);
• администратором путем конфигурирования статических
маршрутов;
• протоколами маршрутизации, например протоколом передачи
маршрутной информации (RIP; Routing Information Protocol).

4. Таблица маршрутизации

• Таблица маршрутизации – это база данных маршрутов, хранящаяся в памяти
всех IP-узлов. Каждая запись, или маршрут, в таблице маршрутизации
содержит информацию о продвижении для некоторой области IP-адресов
назначения.
• Цель таблицы IP-маршрутизации – предоставить для IP-адреса назначения
каждого продвигаемого пакета информацию об интерфейсе следующего
перехода и IP-адресе следующего перехода.
• Интерфейс следующего перехода – это адрес интерфейса, через который
должен быть послан IP-пакет.
• IP-адрес следующего перехода – это IP-адрес узла, которому должен быть
направлен IP-пакет. Для прямой доставки IP-адрес следующего перехода
является IP-адресом назначения передаваемого IP-пакета. Для косвенной
доставки IP-адрес следующего перехода – это IP-адрес непосредственно
достижимого промежуточного маршрутизатора, которому должен быть
направлен IP-пакет.

5. Пример IP - сети

Сеть 2 (192.190.0.0)
Сеть 1 (192.190.10.0)
192.190.0.1(в сеть 1)
192.190.15.75 (в сеть 3)
192.190.10.1 (в сеть 1)
192.190.0.3 (в сеть 2)
Узел
Маршрутизатор 1
Узел
Маршрутизатор 2
192.190.10.4
Узел
Хост А

6. Пример IP – сети (адресация)

• Хост А имеет один интерфейс (один сетевой адаптер) с IP-адресом
192.190.10.4 и маской подсети 255.255.255.0, то есть, подключен к сети
класса C с IP-адресом 192.190.10.0, называемой сетью 1.
• Маршрутизатор 2 имеет два интерфейса (два сетевых адаптера) с IPадресами 192.190.10.1 и 192.190.0.3 и масками подсети 255.255.255.0,
то есть, подключен к сети класса C с IP-адресом 192.190.10.0,
называемой сетью 1, и к сети класса C с IP-адресом 192.190.0.0,
называемой сетью 2.
• Маршрутизатор 1 также имеет два интерфейса (два сетевых адаптера)
с IP-адресами 192.190.0.1 и 192.190.15.75 и масками подсети
255.255.255.0, то есть, подключен к сети класса C с IP-адресом
192.190.0.0, называемой сетью 2, и к сети класса C с IP-адресом
192.190.15.0, называемой сетью 3.

7. Таблица маршрутизации

8. Network Destination

• Network Destination (Сетевой адрес). Это поле используется
совместно с полем Netmask. Оно определяет диапазон IPадресов, достижимых с использованием данной записи таблицы
маршрутизации (или отдельный IP-адрес, достижимый с
использованием данной записи). В нем может быть указан IPадрес сети, IP-адрес хоста или широковещательный IP-адрес. В
данном примере в поле Network Destination указаны адреса сетей
127.0.0.0, 192.190.10.0 и 224.0.0.0, адрес хоста 192.190.10.4 и
широковещательные адреса 192.190.10.255 и 255.255.255.255

9. Netmask (маска сети)

• Netmask (Маска сети). Поля Network Destination и Netmask
определяют диапазон IP-адресов или один IP-адрес. Чтобы
выяснить, соответствует ли IP-адрес назначения передаваемого
пакета некоторой записи таблицы маршрутизации, на IP-адрес
назначения пакета накладывается содержимое поля Netmask
этой записи (выполняется операция логического И). Результат
сравнивается со значением в поле Network Destination данной
записи. Если результат операции «логического И» и значение в
поле Network Destination совпадают, то IP-адрес назначения
пакета соответствует данной записи, и для продвижения пакета
используется IP-адрес следующего перехода (содержимое поля
Gateway) этой записи.

10. Пример маршрутизации в IP сети

• Например, если Хост А хочет послать пакет по адресу 192.190.10.1, т.е. на
непосредственно подключенный интерфейс соседнего Маршрутизатора 2
(см. таблицу 3.1), то сначала выполняется операция «логического И» для
адреса 192.190.10.1 и маски сети 255.0.0.0 (из первой строки таблицы
маршрутизации). Результат – 192.0.0.0. Он не совпадает со значением
127.0.0.0, указанным в поле Network Destination первой строки таблицы
маршрутизации. Поэтому для выполнения следующей операции
«логического И» используется маска сети 255.255.255.0 (из второй строки
таблицы маршрутизации). Результат операции И для адреса 192.190.10.1 и
маски сети 255.255.255.0 равен 192.190.10.0. Он совпадает со значением,
указанным в поле Network Destination второй строки таблицы
маршрутизации. Поэтому пакет соответствует данной записи таблицы
маршрутизации и должен быть направлен по адресу шлюза 192.190.10.4 (в
данном случае адрес шлюза совпадает с адресом единственного
физического интерфейса Хоста А, так как маршрут с адресом назначения
192.190.10.1 соответствует непосредственно подключенному сегменту).

11. Gateway (Адрес шлюза)

• Gateway (Адрес шлюза). В этом поле указывается IP-адрес, по
которому должен быть направлен пакет, если он соответствует
данной записи таблицы маршрутизации (это “IP-адрес
следующего перехода”). Для маршрута, соответствующего
непосредственно подключенному сегменту, в поле Gateway
указывается адрес интерфейса маршрутизатора (или хоста),
подключенного к этому сетевому сегменту (192.190.10.4 для
примера, приведенного на рис.).

12. Interface (Интерфейс)

• Interface (Интерфейс). В этом поле указывается адрес логического
или физического интерфейса, используемого для продвижения
пакетов, соответствующих данной записи таблицы
маршрутизации. В примере, представленном на рис. 3.1,
127.0.0.1 – это адрес логического интерфейса замыкания на себя
(его назначение объясняется ниже) Хоста А, а 192.190.10.4 –
адрес физического интерфейса Хоста А.

13. Metric (Метрика)

• Metric (Метрика). В этом поле указывается «стоимость»
маршрута. Оно используется для выбора маршрута в том случае,
если в таблице маршрутизации имеется несколько записей,
соответствующих одному и тому же адресу назначения с одной и
той же маской сети, т.е. если одного и того же адресата можно
достичь разными путями (через разные маршрутизаторы). При
этом выбирается запись с наименьшим значением метрики,
отражающая наиболее короткий маршрут. Обычно это поле
отражает число транзитных участков до хоста назначения или
сети назначения.

14. Полный цикл маршрутизации

15. Статическая маршрутизация

• Статические маршруты задаются и изменяются вручную. Их
достоинство в том, что они не требуют рассылки
широковещательных пакетов с маршрутной информацией,
которые непроизводительно занимают полосу пропускания сети.
Однако в случае изменения топологии сети администратор
должен вручную изменить статические маршруты, что является
недостатком статической маршрутизации.

16. Динамическая маршрутизация

• При использовании динамической маршрутизации применяются
протоколы маршрутизации, служащие для обмена маршрутной
информацией и поддержания таблиц маршрутизации. Маршруты
к удаленным сетям выясняются с помощью протоколов
маршрутизации и добавляются в таблицы маршрутизации или
удаляются из них. После того, как все маршрутизаторы составной
сети получили всю информацию, необходимую для создания
маршрутов, отражающих текущую топологию составной сети,
считается, что процесс сходимости протокола маршрутизации
завершен.

17. Протоколы маршрутизации

• Протокол маршрутизации представляет собой набор сообщений,
правил и алгоритмов, используемых маршрутизаторами для обмена
информацией о маршрутах в сети.
• Функции протоколов маршрутизации
• Получение информации об IP-сетях от смежных устройств
• Анонсирование маршрутной информации IP-сетях смежным
устройствам
• Если обнаружено более одного маршрута к какой-либо подсети, то
выбор наилучшего маршрута на основе метрики
• Если произошло изменение топологии сети, то отреагировать на это
изменение, уведомить об этом другие устройства, и выбрать новый
оптимальный маршрут

18. Автономные системы

В общем смысле, автономной системой называется группа роутеров, находящихся
под общим управлением.

19. Классификация протоколов маршрутизации

• IGP (Interior Gateway Protocols) - протокол внутреннего шлюза протокол маршрутизации разработанный для использования
внутри одной автономной системы
• EGP (Exterior Gateway Protocol) - протокол внешнего шлюза протокол маршрутизации, предназначенный для маршрутизации
между автономными системами.

20. Классификация протоколов маршрутизации. IGP: Distance-Vector и Link State

Классификация протоколов маршрутизации.
IGP: Distance-Vector и Link State
• Distance-Vector: маршрутизаторы рассылают друг другу вектора расстояний.
В векторе расстояний содержится информация (расстояние) от передающего
маршрутизатора до всех соседних (известных) ему сетей.
• Вектор расстояний - количество пройденных маршрутизаторов - хопов
• После получения вектора расстояний от соседнего маршрутизатора
• 1. маршрутизатор обновляет таблицу маршрутизации или добавляет в нее
новую запись
• 2. выбирает из нескольких альтернативных путей лучший по выбранному
параметру метрики и рассылает новое значение вектора по сети.
• 3. Все маршрутизаторы получают информацию обо всех подключенных сетях
и о расстоянии (метрики) до них через соседние маршрутизаторы

21. Недостатоки дистанционно-векторных алгоритмов:

• хорошо работают в небольших сетях;
• маршрутизаторы передают только обобщенную информацию –
вектор расстояний, поэтому маршрутизаторы не содержат
конкретного представления о топологии сети.

22. Классификация протоколов маршрутизации. IGP: Distance-Vector и Link State

Классификация протоколов маршрутизации.
IGP: Distance-Vector и Link State
• Другой принцип: Link State Update (LSU), посылаются напрямую всем
маршрутизаторам (flooding) в одной AS, они содержат информацию о
состоянии связей “Links” (metric) и их состоянии “State” (Active or notActive)
• Другая система метрик, основанная на стоимости cost- или bandwidth,
метрика не ограничена числом хопов (15).
• Не используются периодические апдейты, апдейты посылаются только
в случае изменения состояния каналов => быстрая сходимость
• Масштабируемость: позволяет использовать гораздо большее
количество устройств в AS.

23. Достоинства и недостатки протоколов Link State

• Достоинства:
• Имеют быструю сходимость
• Предотвращают возникновение кольцевых маршрутов
• Занимают меньшую полосу пропускания для апдейтов
• Недостатки:
• Требуют тщательного планирования структуры сети
• Потребляют больше ресурсов маршрутизатора

24. Различия между протоколами маршрутизации

• Различия между этими двумя видами состоят в следующем:
1) типе информации, которой обмениваются роутеры: таблицы
маршрутизации у Distance-Vector и таблицы топологии у Link State
• 2) количестве информации о сети, которое “держит в голове”
каждый роутер: Distance-Vector знает только своих соседей, Link
State имеет представление обо всей сети
• 3) процессе выбора лучшего маршрута,

25. Топология корпоративной сети

26. Процесс передачи данных (1)

• Процесс передачи данных от Узла X до Узла Y рассмотрен на
примере сети на предыдущем слайде. Предполагается, что
маршрут проложен через маршрутизаторы A, B, C. Логические и
физические адреса конечных узлов и интерфейсов
маршрутизаторов, задействованных в этом процессе передачи,
приведены на следующем слайде. Сетевая маска во всех сетях –
255.255.255.0. Интерфейсы FastEthernet (F0/0, F0/1)
характеризуются физическими МАС-адресами и логическими IPадресами; последовательные (serial) интерфейсы (S1/1, S1/2)
МАС-адресов не имеют.

27. Адреса узлов и интерфейсов маршрутизаторов

Устройство
Интерфейс
Узел X
F0/0
192.168.10.11
011ABCF00000
01-F0
R-A
F0/0
192.168.10.1
0001AAAAF000
0A-F0
F0/1
198.20.20.5
0002AAAAF111
0A-F1
F0/0
198.20.20.6
0001BBBBF000
0B-F0
S1/1
210.30.30.9
S1/1
200.6.6.1
S1/2
210.30.30.10
F0/0
200.40.40.1
0002CCCCF000
0C-F0
F0/0
200.40.40.8
088DEF012345
08-F0
R-B
R-C
Узел Y
IP-адрес
МАС-адрес
Усл. обозн.

28. Сформированный пакет

Пакет данных
Заголовок пакета
Первые поля заголовка пакета
Поле данных
IP-адрес узла источника
IP-адрес узла назначения
192.168.10.11
200.40.40.8
Data

29. Процесс передачи данных (2)

• На канальном уровне Узел X инкапсулирует сформированный пакет в
кадр соответствующей технологии, в данном примере FastEthernet. В
заголовке кадра, наряду с другой информацией, указываются МАСадреса источника и назначения. Поскольку МАС-адреса довольно
длинные (12 шестнадцатеричных разрядов), то при дальнейшем
рассмотрении введены их условные обозначения. МАС-адрес
источника будет 011ABCF00000 (условное обозначение 01-F0).
• Поскольку в данном примере МАС-адрес получателя (Узел Y)
компьютеру Узел X неизвестен, то Узел X обращается к таблице ARPпротокола. Узел не находит соответствующей записи в таблице ARP,
поэтому он посылает в локальную сеть широковещательный ARPзапрос, в котором задает сетевой логический IP-адрес устройства
назначения – 200.40.40.8. Адресат назначения находится за пределами
локальной сети 192.168.10.0.

30. Процесс передачи данных (3)

Поскольку маршрутизаторы не транслируют широковещательные
запросы в другие сегменты сети, то в этом случае маршрутизатор R-A в ответ
на запрос посылает ARP-ответ с MAC-адресом своего входного интерфейса
F0/0, на который поступил запрос. Входной интерфейс играет роль шлюза по
умолчанию. ARP-протокол обращается к соответствующей строке таблицы
ARP и посылает Узлу X ответ с МАС-адресом 0A-F0. (Далее везде МАСадреса заменяются их условными обозначениями).
IP адрес
МАС адрес
192.168.10.1
0A-F0

31. Процесс передачи данных (4)

В соответствие с полученным МАС-адресом 0A-F0 Узел X формирует
кадр, который по физической среде передается в маршрутизатор R-A:
Кадр данных
Заголовок кадра
Заголовок пакета
МАС-адрес узла МАС-адрес узла IP- адрес узла IP- адрес узла
назначения
источника
источника
назначения
0A-F0
01-F0
192.168.10.11 200.40.40.8
Поле
данных
Data

32. Процесс передачи данных (5)

• Поступивший на входной интерфейс маршрутизатора R-A пакет
данных извлекается из кадра (декапсулируется), чтобы
определить: на какой выходной интерфейс (F0/1 илиS1/2)
скоммутировать (продвинуть) принятый пакет. Для этого
производится логическое умножение (т.е. операция И, AND) IPадреса узла назначения на маску и определяется сеть назначения
(200.40.40.0). Затем производится обращение к таблице
маршрутизации, в соответствие с которой определяется адрес
входного интерфейса следующего маршрутизатора R-В (адрес
следующего перехода) и выходной интерфейс маршрутизатора RA.

33. Таблица маршрутизации R-A

• C 192.168.10.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0
• C 198.20.20.0/24 is directly connected, FastEthernet0/1
• R 200.6.6.0/24 [120/2] via 198.20.20.6, 00:00:25, FastEthernet0/1
• R 200.7.7.0/24 [120/2] via 198.20.20.6, 00:00:25, FastEthernet0/1
• R 200.9.9.0/24 [120/1] via 198.20.20.6, 00:00:25, FastEthernet0/1
• R 200.40.40.0/24 [120/2] via 198.20.20.6, 00:00:25, FastEthernet0/1
• R 210.30.30.0/24 [120/1] via 198.20.20.6, 00:00:25, FastEthernet0/1

34. Процесс передачи данных (6)

• Согласно приведенной ниже таблицы маршрутизации путь к сети
200.40.40.0 лежит через адрес следующего перехода 198.20.20.6 и
выходной (исходящий) интерфейс F0/1. Затем формируется новый
заголовок пакета, который продвигается к выходному интерфейсу F0/1
маршрутизатора R-A. В новом пакете изменяются некоторые поля
заголовка (TTL, контрольная сумма заголовка), но IP-адреса источника
и узла назначения остаются неизменными, а МАС адрес назначения
берется из таблицы ARP
Кадр данных
Заголовок кадра
Заголовок пакета
МАС-адрес узла назначения
МАС-адрес узла источника
IP- адрес узла источника
IP- адрес узла
0B-F0
0A-F1
192.168.10.11
назначения 200.40.40.8
Данные
Data

35. Процесс маршрутизации (7)

• Приняв кадр, маршрутизатор R-В извлекает из него пакет данных,
с использованием маски вычисляет адрес сети назначения, и по
таблице маршрутизации определяет выходной интерфейс:
• R-B>sh ip route
• ...
• R 200.40.40.0/24 [120/1] via 210.30.30.10, 00:00:04, Serial1/1
• На выходном интерфейсе S1/1 пакет инкапсулируется в новый
кадр, который передается в маршрутизатор R-С.

36. Процесс маршрутизации (8)

Поскольку Сеть 3 (рис. 1.3) представляет собой соединение «точкаточка», то интерфейсы такого соединения не имеют МАС-адресов. Заголовок
кадра существенно упрощается, т.к. интерфейсы непосредственно связаны
между собой. Например, по протоколу PPP (Point-to-Point Protocol) в поле
адреса назначения используется широковещательный адрес – 11111111.
Заголовок кадра
Физический адрес
узла назначения
11111111
Кадр данных
Заголовок пакета
IP- адрес узла IP-адрес узла
назначения
источника
200.40.40.8
192.168.10.11
Данные
Data

37. Таблица маршрутизации R-C

R 192.168.10.0/24 [120/2] via 210.30.30.9, 00:00:09, Serial1/2
R 198.20.20.0/24 [120/1] via 210.30.30.9, 00:00:09, Serial1/2
C 200.6.6.0/24 is directly connected, Serial1/1
C 200.7.7.0/24 is directly connected, Serial1/3
R 200.9.9.0/24 [120/1] via 200.7.7.1, 00:00:13, Serial1/3
[120/1] via 210.30.30.9, 00:00:09, Serial1/2
C 200.40.40.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0
C 210.30.30.0/24 is directly connected, Serial1/2
S* 0.0.0.0/0 [1/0] via 200.6.6.2

38. Процесс передачи данных (9)

Поскольку адресат назначения находится в сети, которая
непосредственно присоединена к интерфейсу F0/0 маршрутизатора R-С, то
кадр передается узлу назначения Узел Y:
Кадр данных
Заголовок кадра
Заголовок пакета
МАС-адрес узла
МАС-адрес
IP- адрес узла IP-адрес узла
назначения
узла источника
источника
назначения
08-F0
0C-F0
192.168.10.11
200.40.40.8
Данные
Data

39. Процесс передачи данных (10)

• На Узле Y пакет данных извлекается из кадра. Если пакет при передаче
был фрагментирован, то из фрагментов формируется целый пакет и
через соответствующий межуровневый интерфейс направляется на
транспортный уровень, где из пакетов извлекаются сегменты данных, а
из сегментов формируется сообщение.
• При передаче данных через составную сеть IP-адреса узла назначения
и узла источника остаются неизменными, МАС-адреса назначения и
источника изменяются при прохождении каждого
маршрутизатора.
• Всякий раз при формировании кадра вычисляется контрольная сумма,
которая записывается в поле FCS трейлера кадра. Правильность
принятых данных проверяется с использованием циклического кода
CRC. Если расчетный результат и контрольная сумма не совпадают, то
кадр отбрасывается.