Počítačové sítě IP směrování (routing)

1. Počítačové sítěIP směrování (routing) • IP sítě jsou propojeny směrovači (routery) • funkcionalita směrovačů pokrývá 3. vrstvu RM OSI ~ vrstvu IP architektury TCP/IP (L3) • Směrovače provádějí přepojování datagramů mezi IP sítěmi (datagramová služba) • Směrovače určují „nejlepší“ cestu pro datagramy podle směrovacích map (tabulek), které obsahují celou topologii internetu (internet = propojené IP sítě)

2. Směrovací architektury • Core • Autonomní systémy

3. IGP IGP EGP LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN IGP Počítačové sítěArchitektury Core Network

4. AS3 IGP IGP EGP LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN IGP AS2 AS1 Počítačové sítěArchitektury

5. Počítačové sítěIP směrování • Peering • Peeringová centra v ČR • NIX (Neutral Internet Exchange) - NIX.CZ, z.s.p.o. • CBIX (Commercial Brno Internet Exchange) - Master Internet, s.r.o.

6. Počítačové sítěIP směrování (routing) • Směrovač získává informace o sítích • Staticky (statické směrovací tabulky) • administrátorem ručně editované záznamy • směrovač nemůže vytvářet alternativní cesty, jestliže se nastavená cesta přeruší • možnost chybné konfigurace • vznik směrovacích smyček

7. Počítačové sítěIP směrování (routing) • Dynamicky (dynamické směrovací tabulky) • na základě informací periodicky šířených směrovacími protokoly se mapy vypočítávají programem podle určitého algoritmu • snadná adaptace na změny v topologii sítě • mezi směrovači musí být dohoda o implementaci určitého směrovacího protokolu

8. Počítačové sítě IP směrování • Připomeňme si: • přímé směrování - zdroj i cíl ve stejné IP síti • nepřímé směrování - zdroj a cíl v různých IP sítích • Co obsahuje směrovací tabulka? • pro každou IP síť internetu: síť (network) brána (gateway) rozhraní (interface) metrika • brána - IP adresa rozhraní dalšího směrovače • směrovací metrika - zhodnocené parametry přenosové cesty (parametry jsou stanoveny protokolem) - např. počet směrovačů na přenosové cestě, cena za přenos, přenosová kapacita, zpoždění ...

9. R1 I0 N3 I1 N1 N2 N4 R2 I0 I1 Tabulka R1 Síť Rozhraní Brána M N1 I0 přímo 0 R3 I0 I1 N2 I1 přímo 0 N3 I1 R2 1 N4 I1 R2 2 Tabulka R2 Tabulka R3 Síť Rozhraní Brána M Síť Rozhraní Brána M N1 I0 R1 1 N1 I0 R2 2 N2 I0 přímo 0 N2 I0 R2 1 N3 I1 přímo 0 N3 I0 přímo 0 N4 I1 R3 1 N4 I1 přímo 0

12. Počítačové sítěIP směrování • Každý směrovač musí mít mapu celého internetu - pro celý Internet nerealizovatelné - řešení: strukturalizace Internetu na autonomní systémy • Autonomní systém (AS) • komplex sítí a směrovačů • jedna administrativní doména se společnou směrovací strategií • AS je registrován u NIC (Network Information Center) a má přidělen unikátní identifikátor (16 bitů), který používají ke své identifikaci externí směrovací protokoly v procesu vzájemné výměny směrovacích informací • Dvě úrovně směrování • uvnitř AS - směrování interními směrovacími protokoly (IGP - Interior Gateway Protocol) • mezi AS - směrování externími směrovacími protokoly (EGP -Exterior Gateway Protocol)

13. Počítačové sítěIP směrování • Algoritmy pro výpočet směrovacích cest - podle charakteru směrovací informace • Distance Vector Algorithmus (DVA) • Link State Algorithmus (LSA) • Princip DVA • jednotlivé směrovače periodicky vysílají obsah své směrovací tabulky • přijímají informace vysílané ostatními směrovači a podle nich aktualizují obsah své tabulky

14. Počítačové sítěIP směrování • Algoritmus Bellman-Ford • Cíl je vytvořit tabulku: Net Gateway Distance („hopcount“) • Distance je počet směrovačů, přes které musí datagram projít na trase do cílové sítě • směrovač šíří svou směrovací tabulku IP broadcastem • jestliže přijme směrovač novou informaci (záznam pro síť, kterou ve své tabulce nemá nebo je v záznamu pro známou síť kratší hopcount, svou tabulku opraví)

15. Počítačové sítěIP směrování • Protokoly založené na DVA definují malé přirozené číslo, které omezuje hodnotu DISTANCE (tzv. max. hopcount). Pokud v tabulce dojde k dosažení této hodnoty, síť se považuje za nedostižitelnou a záznam se z tabulky odstraní • Protokoly jsou tedy vhodné pro nepříliš rozsáhlé sítě • Vytvoření tabulky: • vytvoření záznamů pro sousedící sítě • podle postupně přijímaných obsahů tabulek dalších směrovačů se tvoří záznamy pro čím dál vzdálenější sítě (hodnota „hopcount“ přijatá od sousedního směrovače se vždy zvýší o 1) • Nevýhoda - nutnost vysílat celé tabulky u větších sítí to představuje velké datové pakety velká zátěž sítě

16. Počítačové sítěIP směrování • Princip Link State Algorithmus (LSA) - směrovače vysílají pouze informace („Link State Packets“ - LSP) o stavu spojů, ke kterým jsou připojeny. • LSP jsou vysílány všem ostatním směrovačům („flooding“) • každý směrovač si vytváří na základě LSP z ostatních směrovačů kompletní topologickou mapu sítě • z mapy jsou určeny „nejlepší“ cesty k cílovým sítím (Dijkstra algoritmus) – další ukázka • metrika LSA - „cost“ • směrovač zpracovává pouze změny stavů spojů, které obdrží v LSP a potom znovu spočítá nejkratší cestu • pakety protokolů LSA jsou mnohem kratší než u protokolů DVA, velikost jejich obsahu nezávisí na velikosti sítě • protokoly LSA jsou vhodné i pro velmi rozsáhlé sítě

17. Počítačové sítěIP směrování • Interní protokoly - IGP • Protokol RIP (Routing Information Protocol) - princip DVA - verze RIP 1 a RIP 2 • Metrika … hopcount(max. hopcount = 16) • vysílání RIP zpráv IP broadcastem každých 30 sec • pokud není přijata RIP zpráva po dobu 180 sec, platnost směrovací tabulky vyprší (dojde ke ztrátě konektivity) • použití v malých a středních sítích • implementace RIP protokolu jsou součástí OS Unix • protokol RIP nevytváří alternativní cesty • Problémy RIP protokolu: • pomalé šíření informace • náchylnost ke vzniku směrovacích smyček

18. Formát zprávy RIP1

19. Počítačové sítěIP směrování 0 7 8 15 16 31 Formát zprávy RIP2 typ příkazu verze (2) identifikátor směrovacího procesu typ sítě (IP ~ 2) identifikátor AS IP adresa sítě maska podsítě „next - hope“ IP adresa metrika (1-16) záznamy pro dalších maximálně 24 směrovačů

20. Počítačové sítěIP směrování • RIP protokol nevytváří hierarchické směrovací oblasti • RIP protokol vytváří „ploché“ (flat) směrovací oblasti • RIP protokol definuje pouze jeden typ směrovače • Nastavení RIP subjektů (programová konfigurace): • aktivní – generují a šíří RIP zprávy (zpravidla síťové směrovače) • pasivní – pouze přijímají RIP zprávy od aktivních subjektů (zpravidla koncové uživatelské systémy) • Směrovače LAN – implementace RIP (aktivní i pasivní) i jiných směrovacích protokolů (nejčastěji OSPF) – směrovače multiprotokolové

21. IP záhlaví Protocol = 17 UDP záhlaví RIP zpráva IP záhlaví Protocol = 89 OSPF zpráva Počítačové sítěIP směrování

22. Počítačové sítěOSPF – Open Shortest Path First • Směrovací protokol na principu algoritmu LSA • Metrika „cost“ přiřazená administrátorem každému spoji – podpora ToS (Delay, Throughput, Reliability) – ToS = 0, pak „cost“ = šířka přenosového pásma • Možnost vytvářet paralelní cesty (stejná metrika) – rozdělení zatížení sítě (load balancing) • OSPF vytváří hierarchické sítě tvořené směrovacími oblastmi (area), OSPF definuje více typů směrovačů generujících OSPF zprávy příslušných typů • Šíření zpráv mezi OSPF směrovači – přenosy „multicast“ 224.0.0.5 všechny OSPF směrovače sítě 224.0.0.6 „pověřený“ směrovač (designed router)

23. Area 3 LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN OSPF směrovací doménaAutonomní systém Area 1 Backbone Area 0 Area 2

24. OSPF hierarchie AS

25. OSPF směrovací doména • Area– soustava jedné nebo více souvislých sítí • každá area má svou „kopii“ Shortest Path First (SPF) algoritmu • Hierarchické směrování • Uvnitř oblasti – intra area – společná topologická databáze vnitřní směrovač AR(Area Router) – „pověřený“ směrovač • Mezi oblastmi - inter area – přes páteřní oblast– sumarizuje topologické informace oblasti hraniční směrovač ABR (Area Border Router) • Mezi OSPF směrovacími doménami – autonomní oblasti • se stejnou metrikou • s rozdílnou metrikou hraniční směrovač AS ASBR (ASBorder Router)

26. Počítačové sítěIP směrování – protokol OSPF • Zprávy OSPF – Link State Announcements Packets – LSA • LSA pakety obsahují informace o spojích připojených k vysílajícímu směrovači • LSA pakety jsou generovány, jestliže nastane změna stavu spojů, jinak periodicky (30 min.) • Protokol „Hello“ – zřizuje a udržuje vztahy mezi sousedními směrovači, provádí výběr „pověřeného“ směrovače (224.0.0.6) v síti s více směrovači • Oblasti zahrnují typicky více sítí, každá oblast je připojena k páteřní oblasti (transportní síti) • Nelze-li připojit oblast k páteři, vytvoří se „virtuálního spoj“ přes jinou oblast (tranzitní síť) • OSPF podporuje ToS a autentizaci LSA

27. Protokol OSPF - LSA pakety • Hello Packet - se vytváří v prvním kroku LSA - "oslovenísousedních routerů" • Database Description Packet - odpověď na Hello Packet • Link State Request Packet - žádost o vyslání Link State Update Packet  • Link State Acknowledgment Packet - potvrzuje příjemLink State Update Packet • Link State Update Packet - odpověď naLink State Request Packet

28. Protokol OSPFLink State Update Packet – odpověď na LS Request Typ 1 – Router Link – zahrnuje informace o stavu všech rozhraní směrovače s oblastí. Je vysílán do lokální sítě všemi směrovači Typ 2 – Network Link – zahrnuje seznam směrovačů připojených k lokální síti. Je vysílán do lokální oblasti a je generován „pověřeným“ směrovačem Typ 3/4 – Summary Link to Network/to ASBR – popisuje cestu mimo oblast (v rámci vlastního AS). Je generován hraničními směrovači a vysílán do připojených oblastí. Typ 3 popisuje cestu k sítím , typ 4 k hraničním směrovačům AS Typ 5 – External Link – popisuje cestu v jiném AS. Je generován ASBR a vysílán do AS Typ 6 – Group Membership – podpora skupinových přenosů

29. IP směrováníExterní protokoly • Protokol EGP – jednoduchý protokol, na bázi stromové struktury, bez metriky. • Princip: • Zjistí každému směrovači sousední směrovače, se kterými bude komunikovat, • Periodicky „sousedství“ ověřuje • Vyměňuje se sousedy informace o dostupnosti sítí ve svém AS (seznam sítí a směrovačů)

30. Core Network AS3 AS2 AS1 IP směrováníExterní protokoly • Protokol BGP – novější, na bázi hvězdicové struktury (Core Network) • BGP – v současnosti oficiální externí protokol Internetu – routery WAN podporují BGP

31. IP směrováníExterní protokoly - BGP • BGP protokol používá transportní protokol TCP (spolehlivý), dokáže šířit informace i mezi interními směrovači (uvnitř AS) • BGP kombinuje algoritmus DVA a LSA • Funkce BGP • navázáni a udržování komunikace se sousedními směrovači • při první výměně informací vysílá celé směrovací mapy • nevysílá periodicky, pouze aktualizuje směrovací informace

32. IP směrováníExterní protokoly - BGP • Typy zpráv BGP • OPEN – navázání spojení se sousedním routerem (jsou na stejné IP síti/subsíti) • UPDATE – předání informace o sítích, které jsou dosažitelné touto směrovací cestou a/nebo informace o změně směrovacích cest • KEEPALIVE – periodické ověření spojení se sousedním routerem • NOTIFICATION – chybová zpráva

33. LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN LAN IP směrováníExterní protokoly - BGP • Implementaceexterních a interních směrovacích protokolů externí protokol interní protokoly

34. Konfigurace směrovačů v lokálních sítích • Implementace • Router • HW – Cisco, Nortel, Juniper ……. • SW – PC router (quagga …..) • L3 switch • Firewall • Pojmy prefix, netmask, VLSM, metrika, hope, next_hope, default gateway, propagace routů, sumarizace routů • Design LAN – hierarchie (strom) • Redundance cest

36. Konfigurace směrovačů v lokálních sítích • Typy konfigurace • Statický routing • Dynamický routing • Default routing • Základní nastavení PC routeru – IP forwarding • Linux/Unix • MS Windows • Statický routing – nastavení směrovacích cest • Dynamický routing - volba směrovacího protokolu (RIP2 vs. OSPF) • Default routing - nastavení default brány