Протоколы компьютерных сетей и сетевые операционные системы

1

Описание каналов маршрутизатора, т.е. состояния его интерфейсов.

2

Описание сетевых каналов. Это перечень маршрутизаторов, непосредственно связанных с сетью.

3 или 4

Сводное описание каналов, куда входят маршруты между отдельными областями сети. Эта информация поступает от пограничных маршрутизаторов этих зон. Тип 3 приписан маршрутам, ведущим к сетям, а тип 4 характеризует маршруты, ведущие к пограничным маршрутизаторам автономной системы.

5

Описания внешних связей автономной системы. Такие маршруты начинаются в пограничных маршрутизаторах AS.

Поле идентификатор канала определяет его характер, в зависимости от этого идентификатором может быть IP-адрес маршрутизатора или сети. Маршрутизатор, рекламирующий канал, определяет адрес этого маршрутизатора.

Поле порядковый номер канала позволяет маршрутизатору контролировать порядок прихода сообщений и их потерю.

Поле возраст канала определяет время в секундах с момента установления связи. Поле обмена сообщениями с соседями маршрутизатор может выяснить, что часть данных в его базе устарела. Он может послать своим соседям запрос, с целью получения свежей маршрутной информации о каком-то конкретном канале связи. Сосед, получивший запрос, высылает необходимую информацию.

8.2.7 Три поля этого запроса повторяются согласно числу каналов, информация о которых запрашивается. Если список достаточно длинен, может потребоваться несколько запросов. Маршрутизаторы посылают широковещательные (или мультикастинговые) сообщения об изменении состояния своих непосредственных связей. Такое сообщение содержит список объявлений.

8.2.8 Сообщения об изменениях маршрутов могут быть вызваны следующими причинами:

Возраст маршрута достиг предельного значения (LSRefresh Time).

Изменилось состояние интерфейса.

Произошли изменения в маршрутной сети.

Произошло изменение состояния одного из соседних маршрутизаторов.

Изменилось состояние одного из внутренних маршрутов (появление нового, исчезновение старого и т.д.).

Изменение состояния межзонного маршрута.

Появление нового маршрутизатора, подключенного к сети.

Вариация виртуального маршрута одним из маршрутизаторов.

Возникли изменения одного из внешних маршрутов.

Маршрутизатор перестал быть пограничным для данной AS (например, перезагрузился).

8.2.9 Маршрутизатор, получивший OSPF - пакет, посылает подтверждение приема. Получение нескольких объявлений о состоянии линии может быть подтверждено одним пакетом. Адресом места назначения этого пакета может быть индивидуальный маршрутизатор, группа маршрутизаторов или все маршрутизаторы автономной системы.

8.2.10 Рекламирование сетевых связей относится к типу 2. Сообщения посылаются для каждой транзитной сети в автономной системе. Транзитной считается сеть, которая имеет более одного маршрутизатора. Сообщение о сетевых связях должно содержать информацию обо всех маршрутизаторах, подключенных к сети, включая тот, который рассылает эту информацию. Расстояние от сети до любого подключенного маршрутизатора равно нулю для всех видов сервиса (TOS), поэтому поля TOS и метрики в этих сообщениях отсутствуют.

8.2.11 Сетевая маска характеризует место назначения рекламируемого маршрута. Так, для сети класса А маска может иметь вид 0хFF000000. Последующий набор полей повторяется для каждого вида TOS. Поля для TOS=0 заполняются всегда, и это описание является первым. Бит Е характеризует внешнюю метрику. Если Е=0, то она может непосредственно (без преобразования) сравниваться с метриками других каналов. При Е=1 метрика считается больше любой метрики. Поле «адрес пересылки» указывает на место, куда будут пересылаться данные рекламируемым маршрутом. Если адрес пересылки равен 0.0.0.0, данные посылаются пограничному маршрутизатору автономной системы - источнику данного сообщения. Метка внешнего маршрута - 32-битовое число, присваиваемое каждому внешнему маршруту. Эта метка самим протоколом OSPF не используется и предназначена для информирования других автономных систем при работе внешних протоколов маршрутизации. Маршрутная таблица OSPF содержит в себе:

IP-адрес места назначения и маску;

Тип места назначения (сеть, граничный маршрутизатор и т.д.);

Тип функции (возможен набор маршрутизаторов для каждой из функций TOS);

Область (описывает область, связь с которой ведет к цели, возможно несколько записей данного типа, если области действия граничных маршрутизаторов перекрываются);

Тип пути (характеризует путь как внутренний, межобластной или внешний, ведущий к AS);

Цена маршрута до цели;

Очередной маршрутизатор, куда следует послать дейтограмму;

Объявляющий маршрутизатор (используется для межобластных обменов и для связей автономных систем друг с другом).

8.2.12 Дополнительными функциями OSPF являются маршрутизация по принципу равных затрат, многотрактовая маршрутизация и маршрутизация на базе запросов типа обслуживания высшего уровня (Type of Service, ToS). Маршрутизация на базе ToS поддерживает те протоколы высшего уровня, которые позволяют определить конкретный тип обслуживания. Например, приложение может определить некие данные как срочные. Если в распоряжении OSPF есть каналы с высоким приоритетом, то они могут быть использованы для передачи срочных дейтограмм.

OSPF поддерживает одну и более метрик. Если используется только одна метрика, то она считается произвольной и ToS не поддерживается. Если используется несколько метрик, то ToS может обеспечиваться отдельными метриками (и, следовательно, отдельной таблицей маршрутизации) для каждой из восьми комбинаций, образованной тремя битами IP ToS (битом задержки, битом пропускной способности и битом надежности).

В каждый объявленный приемник включаются маски IP-подсети, что позволяет использовать маски подсети переменной длины. С помощью масок подсети переменной длины можно разбить IP-сеть на несколько подсетей разных размеров, что предоставляет сетевым администраторам дополнительные возможности по выбору конфигурации сети.

OSPF обладает многими преимуществами, такими как низкий объем административного трафика и быструю сходимость.

8.3 Протокол граничного шлюза Border Gateway Protocol версии 4

8.3.1 Основы протокола маршрутизации BGP

Протокол пограничного шлюза версии 4 (Вогder Gateway Pronocol - BGP4, или просто BGP) - это протокол маршрутизации внешнего шлюза, использующийся для проведения маршрутизации между маршрутными доменами (или автономными системами). BGP используются всеми поставщиками услуг Интернет, а также в ядрах очень крупных сетей.

BGP - очень устойчивый и хорошо масштабируемый протокол маршрутизации. Протокол BGP проявляет исключительную стабильность в маршрутизации между автономными системами (AS) (даже при огромных таблицах маршрутизации) и предоставляет сетевым администраторам большую свободу действий и гибкость в создании правил маршрутизации.

Принцип работы дистанционно-векторного протокола маршрутизации:

Среди используемых в настоящее время протоколов маршрутизации BGP отличается тем, что применяет информацию о векторе (направлении) и о пути к пункту назначения для предотвращения маршрутизации. С этой же целью другие протоколы маршрутизации (такие, как OSPF, IS-IS) используют метрики или стоимости маршрутов в сочетании с некоторой долей информации о топологии сети.

Пример работы дистанционно-векторного протокола маршрутизации изображен на рисунке 94.

протокол компьютерная сеть операционная система



Рисунок 94 - Пример работы дистанционно-векторного протокола маршрутизации

Предположим, что маршрутизатор А сгенерировал маршрут к сети 10.1.1.0/24 и объявил его маршрутизатору В. В информации о том, как достичь сети назначения 10.1.1.0/24, маршрутизатор А указывает, что он является первым маршрутизатором в пути. Маршрутизатор В, получив этот маршрут, добавляет себя в путь и отправляет его маршрутизатору С, который, в свою очередь, добавляет себя в путь к сети. 10.1.1.0/24 и отправляет маршрут маршрутизатору D.

Когда маршрутизатор D получает маршрут к пункту назначения 10.1.1.0/24, он обнаруживает, что путь к нему, проходит через маршрутизаторы С, В и А. Маршрутизатор D добавляет себя в путь и отсылает полученный маршрут обратно маршрутизатору А. Получив объявление маршрута, маршрутизатор А отвергает его, т. к. находит в соответствующем пути себя.

Так работает протокол BGP, за исключением того, что информация добавляется в путь к сети назначения не отдельными маршрутизаторами, а автономными системами. Любой маршрутизатор, который получил маршрут, может определить наличие петли маршрутизации, проверив присутствие в пути к заданной сети назначения своей автономной системы.

Выбор пути. Протокол BGP не использует метрики для определения петель в пути, они нужны ему для управления сетевыми правилами; другими словами, метрики могут быть использованы сетевыми администраторами для установки сетевых правил, использующихся маршрутизаторами во время выбора пути.

Протокол BGP объявляет всем своим соседям только один оптимальный маршрут. Ниже приведен список метрик, упорядоченный по возрастанию значимости:

Административный вес;

Локальное предпочтение;

Локально созданные маршруты;

Кратчайший AS-путь;

Наиболее низкий источник;

Метрика МЕD (Мultiple Ехit Discriminator);

Предпочтительные внешние пути;

Путь через ближайшего соседа, если включена синхронизация;

Путь через соседа с наименьшим идентификатором маршрутизатора;

Маршрут с кратчайшим AS - путем выбирается тогда, когда совпадают все более значимые факторы.

Метрика МЕD. Обычно устанавливается посредством карты маршрута при объявлении префикса в соседнюю, автономную систему. Метрика MED не переносится вместе с префиксом из одной автономной системы в другую; кроме того, она не транзитивная.

Метрику MED можно считать подсказкой сетевому администратору, какую точку входа в автономную систему нужно выбрать для направления трафика в заданный пункт назначения. Как правило, эта метрика проверяется только в том случае, если длина АS - пути двух маршрутов совпадает. Другими словами, метрики MED двух префиксов, полученных от различных соседних, автономных систем, не рассматриваются. По умолчанию проверка MED различных, автономных систем не включена.

Строки сообществ. Строка сообщества состоит из цифр и может использоваться в качестве метки префикса. Строка сообщества также может использоваться в других целях:

для проверки точки входа. Т. к. MED в большинстве случаев не используется при выборе пути (потому что для этого AS-пути двух маршрутов должны совпадать), существует правило, по которому маршрутизатор, получив префикс с заданной строкой сообщества, устанавливает свое локальное предпочтение;

для распространения информации о качестве обслуживания (QoS). Между двумя BGP-соседями может быть достигнута договоренность о том, что отметка префикса с помощью данной строки сообщества приведет к соответствующему восприятию отправленных в эту подсеть пакетов.

Строки сообщества устанавливаются и проверяются при помощи карт маршрутов.

Взаимоотношения между соседними маршрутизаторами. В большинстве сложных протоколов маршрутизация есть специальная система обнаружения соседей. С помощью этой системы маршрутизатор без труда находит своих соседей и обменивается с ними информацией о маршрутах. Протокол BGP является исключением, т.к. не занимается автоматическим обнаружением соседей и требует ручной настройки взаимоотношений между ними.

Однако, подобно другим протоколам маршрутизации, BGP требует надежной транспортной системы, обеспечивающей гарантированную доставку пакетов между BGP-соседями. Для этого используется протокол ТСР.

После того как BGP-маршрутизатор (BGP - спикер) сконфигурирован для установки взаимоотношений соседства с другим BGP - спикером, он пытается установить ТСР - соединение для передачи информации. (BGP использует номер порта 179). Это означает, что для установки BGP-сеанса между двумя маршрутизаторами необходимо между ними IP-соединение.

Как только между двумя маршрутизаторами установлены соседские взаимоотношения, они начинают обмениваться полной информацией о маршрутах. После этого BGP - спикеры посылают соседям только инкрементные обновления, по необходимости объявляя или удаляя префиксы.

8.3.2 Внешний протокол BGP

BGP - соседи из разных автономных систем автоматически формируют друг с другом соседские взаимоотношения на базе внешнего протокола BGP (Exterior BGP). На рисунке 95 изображен принцип работы протокола Е-BGP.

Рисунок 95 - Е - BGP - соседи

Маршрутизатор А объявляет префикс 10.1.1.0/24 через протокол внутреннего шлюза (IGP - Interior Gateway Protocol) маршрутизатору В, у которого установлены соседские взаимоотношения с Е- BGP - маршрутизатором С. Маршрутизатор В может преобразовать этот маршрут в маршрут протокола BGP несколькими способами:

Стандартное преобразование маршрутов. Маршрутизатор В может преобразовать маршруты IGP, используюшегося между маршрутизаторами А и В, в маршруты BGP. Это приведет к маркировке преобразованных путей как “неизвестных”.

Команда network. Для объявления маршрута к сети назначения 10.1.1.0/24 в маршрутизаторе В может быть использована команда network в рамках команды router BGP. В отличие от других протоколов маршрутизации, команда network BGP не указывает, для какого интерфейса используется этот протокол, указывая вместо этого только объявляемые префиксы. Если запись в таблице маршрутизации BGP -маршрутизатора полностью совпадает (включая длину префикса) с указанным в команде network значением, то маршрутизатор объявляет этот префикс.

Команда aggregate-adress. Маршрутизатор А может суммировать сеть 10.1.1.0/24 в более крупный блок IР-адресов с помощью команды router BGP/

Как только маршрутизатор В определит, что ему нужно объявить префикс маршрутизатору С, он отправит ему соответствующее обновление информации о маршруте. Список АS_PATH в этом обновлении пустой, потому что маршрут начинается в автономной системе маршрутизатора В. Адресом следующей передачи пакета для этого маршрута является IP-адрес маршрутизатора В.

Когда маршрутизатор С получает обновление информации о маршруте, он определяет, что обновление пришло от Е-BGP-соседа, добавляет номер автономной системы этого соседа в начало AS-пути и помешает префикс в таблицу маршрутизации BGP. Маршрутизатор С может вносить, а может и не вносить этот префикс в свою таблицу маршрутизации, так как это зависит от других маршрутов к данному префиксу и прочих факторов.

8.3.3 Внутренний протокол BGP

Когда BGP-спикер установил отношения соседства с другим BGP-маршрутизатором в одной и той же автономной системе, они становятся i-BGP соседями. Для примера рассмотрим рисунок 96, на котором изображены i-BGP - соседи.



Рисунок 96 - I-BGP- соседи

Как показано на рисунке 96, маршрутизатор А объявляет сеть 10.1.1.0/24 маршрутизатору В как е-BGP - маршрут. В свою очередь, маршрутизатор В объявляет этот маршрут маршрутизатору С посредством протокола i-BGP.

Когда маршругизатор С получает этот префикс, он не изменяет значение адреса следующей передачи пакета, если только не сконфигурирована команда next-hop-self (значение остается равным IР-адресу маршрутизатора А), а также не меняет AS-путь (потому что префикс не пересекал границу автономной системы). То, что не изменяется А, иллюстрирует одно из строгих ограничений протокола i-BGP - i- BGP - соседи не могут объявлять полученный по нему маршрут другим iBGP - соседям. Для того чтобы лучше понять необходимость полного объединения i- BGP - соседей, рассмотрим рисунок 97.



Рисунок 97 - Необходимость полного объединения i-BGP-соседей

Рассмотрим цепь событий, которые произойдут. если маршрутизатор А объявит сеть 10.1.1.0/24 маршрутизатору В. Обычно этого не происходит: i-BGP не позволяет объявлять маршруты таким способом. Маршрутизатор В объявляет префикс маршрутизатору С, который, в свою очередь, объявляет его маршрутизатору D. Последний объявляет префикс каждому из своих соседей, включая маршрутизатор Е, который объявляет этот префикс маршрутизатору С. К этому времени маршрутизатор С получил два i-BGP - объявления префикса 10.1.1.0/24 одно от маршрутизатора В и одно от маршрутизатора Е.

Какой же пугь выберет маршрутизатор С? Т.к. значение адреса следующей передачи пакета и АS-путь не изменились при объявлении префикса от одного соседа другому, маршрутизатор С не может определить, что путь, полученный от маршрутизатора Е, является петлей.

Чтобы предотвратить проблемы такого рода i-BGP - соседи не объявляют маршрут, полученный одним i-BGP - соседом от другого. Однако на самом деле это означает, что i-BGP - соседи должны быть полностью объединены.

Протокол граничного шлюза BGP претерпел несколько изменений с момента выхода его первой версии BGP-1 в 1989 году. Повсеместное внедрение BGP-4 началось в 1993 году. Это первая из версий BGP, в которой появились возможности агрегации (объединения), что позволило реализовать бесклассовую междоменную маршрутизацию и обеспечить поддержку суперсетей.

Протокол BGP не предъявляет никаких требований к топологии сети. Принцип его действия предполагает, что маршрутизация внутри автономной системы выполняется с помощью внутренних протоколов маршрутизации, или, как их еще называют, интра-протоколов. Intra, что означает «внутренний», обозначает все, что относится к действиям внутри субъекта, а термин (inter) «внешний» означает события или действия, которые имеют место между субъектами. Протоколом BGP на основе информации, полученной от различных маршругизаторов, выстраивается граф автономных систем со всеми связями между узлами. Такой граф иногда называют деревом. Если рассматривать сеть Internet “глазами” протокола BGP, то это будет граф, состоящий из автономных систем (AS), где каждой АS соответствует уникальный номер. Соединение между двумя АS формирует путь, а информация о совокупности путей от одного узла в АS к узлу в другой АS составляет маршрут. Протокол BGP активно использует информацию о маршрутах к заданному пункту назначения, что позволяет избежать образования петель маршрутизации между доменами.

Протокол BGP является протоколом вектора маршрута и используется для обмена маршрутной информацией между автономными системами. Термин вектор маршрута (path vector) происходит из самого принципа действия BGP: маршрутная информация содержит последовательности номеров АS, через которые прошел пакет с заданным префиксом сети. Маршрутная информация, связанная с префиксом, используется для профилактики образования петель в маршрутах.

В качестве транспортного протокола в BGP используется протокол ТСР (порт 179). Таким образом, вся надежность доставки (включая повторную передачу) возлагается на протокол ТСР и не требует отдельной реализации в самом BGP, что естественно упрощает механизмы надежности в BGP.

Маршрутизаторы, которые работают с протоколом BGP, часто называют спикерами BGP (BGP speakers). Два спикера BGP, образующих ТСР - соединение друг с другом для обмена маршрутной информацией, называют соседними или взаимодействующими. На рисунке 98 показана схема такого взаимодействия. Взаимодействующие маршругизаторы сначала обмениваются открытыми сообщениями для того, чтобы определить параметры соединения. Эти сообщения используются для согласования параметров, таких как номер версии BGP и др.

Протокол BGP также обеспечивает очень изящный механизм закрытия соединения с соседним маршрутизатором. Другими словами, в случае негативного исхода переговоров, между взаимодействующими маршругизаторами, что может быть результатом несовместимости их конфигураций, вмешательства оператора или вызвано другими причинами, генерируется и посылается сообщение об ошибке NOTIFICATION. Получив это сообщение, вторая сторона должна прекратить попытки установить соединение или разорвать его, если оно было установлено ранее. Преимущество такого механизма заключается в том, что обе стороны уведомляются о невозможности установки соединения и не тратят свои мощности на обслуживание этого соединения или попытки повторно установить связь. Процедура закрытия также гарантирует, что обе стороны до закрытия сеанса ТСР получат все сообщения об ошибках, в частности сообщение NOTIFICATION.



Рисунок 98 - Маршрутизаторы BGP становятся соседями

В начале сеанса BGP между несколькими спикерами BGP ведется обмен всеми маршрутами, которые могут далее использоваться в работе по протоколу BGP (рисунок 99). После того как соединение установлено и проведен начальный обмен маршрутами, по сети рассылается лишь информация о новых маршрутах -- так называемые инкрементные обновления. Применение инкрементных обновлений, по сравнению с периодическим обновлением маршрутов, которое использовалось в других протоколах, таких как BGP, позволило многократно увеличить производительность центральных процессоров на маршругизаторах и разгрузить полосу пропускания.

Согласно протоколу BGP, пара маршрутизаторов уведомляется о маршрутах и изменениях в них с помощью сообщения UPDATE. Сообщение UPDATE, помимо другой полезной информации, содержит список записей типа <длина, префикс>, указывающих на список узлов, на которые можно доставить трафик через спикер BGP. В сообщение UPDATE также включены атрибуты маршрута. К ним относятся: степень предпочтения определенного маршрута и список AS, через которые пролетает маршрут.

В случае, если маршрут становится недействительным, т.е по нему невозможно достичь пункта назначения, спикер ВО. информирует об этом своих соседей и удаляет недействительный маршрут. Как показано на рисунке 98, удаляемые маршруты также включаются в сообщение UPDATE. Таким образом, эти маршруты уже нельзя использовать. Если же информация о маршруте изменилась или для того же префикса выбран новый маршрут, то процедура удаления не выполняется; в этом случае достаточно лишь объявить о замене маршрута.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 99 - Обмен обновлениями маршрутной информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 100 - Маршрут N1 выходит из строя

На рисунке 100 показана система в уравновешенном состоянии: если нет никаких изменений в структуре маршрутов, то маршрутизаторы обмениваются только пакетами KEEPALIVE. Это сообщение периодически посылается между соседними маршрутизаторами BGP, чтобы убедиться, что соединение находится в нормальном состоянии. Пакеты КЕЕРАLIVE (длиной 19 байт каждый) не создают практически никакой нагрузки на процессор маршругизатора и полосу пропускания, т. к. им требуется очень незначительная полоса пропускания (один 152-битовый пакет каждые 60 секунд, т.е. около 2,5 байт/с).

В протоколе BGP учитывается номер версии таблицы маршрутов, чтобы отслеживать изменения маршрутов. Если в таблицу маршрутов вносятся какие-либо изменения, то BGP автоматически увеличивает номер версии таблицы. Быстро растущие номера версии таблицы обычно указывают на то, что в сети имеется нестабильно работающий участок (хотя это довольно обычная ситуация для сетей крупных провайдеров Интернет). Нестабильность сетей, подключенных к Интернет по всему миру, приводит к росту номеров версий таблиц маршрутов на каждом спикере BGP, где имеются сведения обо всех маршрутных таблицах сети Интернет. Для снижения воздействия этих неоднородностей в Интернет были разработаны механизмы коммутации маршрутов и другие мероприятия.

Формат заголовка сообщения протокола BGP. Формат заголовка сообщения в BGP представляет собой поле маркера длиной 16 байт, за которым следует поле длины (2 байта) и поле типа (1 байт). На рисунке 101 представлен формат заголовка сообщения протокола BGP.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 101 - Формат заголовка сообщения BGP

В зависимости от типа сообщения в сообщении протокола BGP за заголовком может следовать или не следовать блок данных. Так, например, сообщения КЕЕРАLIVЕ состоят только из заголовка и никаких данных не передают.

Поле маркера длиной 16 байт используется для аутентификации входящих сообщений BGP либо для детектирования потери синхронизации между двумя взаимодействующими по BGP маршругизаторами. Поле маркера бывает двух форматов:

* Если послано сообщение типа ОРЕN или в нем отсутствует информация об аутентификации, то в поле маркера все позиции выставляются в 1.

* В другом случае значение поля маркера вычисляется в соответствии с используемым механизмом аутентификации.

8.3.4 Переговоры с соседними BGP - узлами

Одно из основных положений протокола BGP состоит в том, что взаимодействующие узлы устанавливают между собой сеансы BGP. Если этот этап по каким-либо причинам не был выполнен, то обмен маршрутной информацией или ее обновление не проводится. Переговоры с соседними узлами основаны на успешном установлении соединения по протоколу ТСР, успешной обработке сообщения ОРЕN и периодическом обмене сообщениями UPDATE и KEEPLIVE.

Процесс переговоров между BGP-соседями до полной установки происходит в несколько этапов.

Ниже приведен список основных состояний модели конечных состояний.

Ожидание. Это первое состояние, в котором находятся системы перед установлением соединения. В протоколе BGP ожидается наступление события, инициированного оператором или самой BGP - системой. Администратор вызывает наступление события “Пуск” путем установления BGP - сеанса маршругизатором или посредством сброса существующего BGP - сеанса. После наступления события “Пуск” BGP - система инициализирует свои ресурсы, сбрасывает таймер повторных попыток установки соединения, устанавливает транспортное соединение по протоколу ТСР и находится в режиме ожидания соединения с удаленной стороной. Затем BGP - система переходит в состояние ведения связи. В случае появления каких-либо ошибок BGP - система возвращается в состояние ожидания.

Связь. В этом состоянии BGP - система ожидает полного установления соединения транспортным протоколом. Если ТСР-соединение установлено успешно, то система переходит в состояние пересылки сообщения OPEN (т.е. на этом этапе удаленной системе посылается сообщение об открытии соединения ОРЕN). Если истекает время, заданное таймером повторных попыток, то система остается в состоянии “Связь”, таймер сбрасывается и повторно начинается установка соединения транспортным протоколом. При наступлении каких-либо других событий, инициированных оператором или самой системой, BGP - система возвращается в состояние ожидания.

Система активна. На этом этапе BGP - система пытается достичь удаленной системы путем открытия соединения транспортного протокола. Если установлено транспортное соединение, то система переходит в состояние пересылки сообщения ОРЕN, при котором генерируется и посылается сообщение 0РЕN. Если истекает интервал времени, заданный таймером повторных попыток, то система перезапускает таймер и возвращается в состояние “Связь”. При этом BGP - система продолжает ожидать появления входящего соединения от удаленного узла. При наступлении еще каких-либо событий система может вернуться и в состояние ожидания.

Если система находится в состоянии, колеблющимся между состояниями “Связь” и “Система активна”, -- это признак того, что при установке транспортного ТСР - соединения что-то происходят неправильно. Причинами такого состояния может быть большое количество повторных передач пакетов по протоколу ТСР или невозможность соседнего узла распознать IР - адрес удаленной стороны.

Состояние пересылки сообщения ОРЕN. В этом состоянии BGP - система ожидает получения сообщения ОРЕN от удаленной стороны. Полученное сообщение проверяется на целостность. Если в нем содержатся ошибки, такие как искаженный номер версии протокола или недопустимый номер AS, система отправляет удаленной стороне сообщение об ошибке NOTIFICATION и возвращается в состояние ожидания. Если ошибок не обнаружено, BGP - система начинает посылать сообщения КЕЕРАLIVЕ и сбрасывает свой таймер проверки со стояния канала в 0. С этого момента оговаривается также время удержания и устанавливается наименьшее его значение из связанных систем. Если согласованное время удержания равно 0, то таймер удержания (Ноld tamer) и таймер проверки состояния (KEEPАLIVE timer) не перезапускаются.

В состояния пересылки сообщения ОРЕN BGP - система путем сравнения собственного номера АS с номером АS удаленной системы выясняет, принадлежит ли маршругизатор, с которым установлена связь, к той же автономной системе или это различные АS.

При разрыве ТСР - соединения система возвращается в состояние “Система активна”. При возникновении других событий, таких как истечение времени, заданного таймером удержания, BGP - система посылает сообщение NOTIFICATION, в котором содержится код ошибки, и возвращается в состояние ожидания. Кроме того, в ответ на событие “Останов”, инициированное системой или оператором, BGP - система также переходят в состояние ожидания.

Подтверждение получения сообщения ОРЕN (ОреnConfirm). В этом состоянии BGP - система ожидает поступления сообщения КЕЕРАLIVE. Приняв такое сообщение, система переходит в следующее состояние “Связь установлена”, и переговоры с соседним узлом завершаются. Приняв сообщение КЕЕРАLIVE, система перезапускает свой таймер удержания (при условии, что оговоренное значение времени ожидания не равно 0). Если же система получает сообщение Т, то она возвращается в состояние ожидания. Система периодически посылает другой стороне сообщения КЕЕРАLIVE с частотой, установленной таймером проверки состояния канала. В случае любого разрыва транспортного соединения и в ответ на событие “Останов”, инициированное самой системой или оператором, система также возвращается в состояние ожидания. При наступлении какого-либо другого события система посылает сообщение NOTIFICATION, содержащее код ошибки модели конечных состояний Р и возвращается в состояние ожидания.

Связь установлена (Established). Это последнее состояние, в котором находятся соседние узлы при ведении переговоров. В этом состоянии BGP - система начинает обмен пакетами UPDATE со своими соседями. Предположим, что таймер удержания не равен 0. Тогда он будет перезапускаться каждый раз при приеме сообщения IР или КЕЕРАLIVE. Если же система получает сообщение NOTIFICATION (в случае возникновения какой-либо ошибки), то она возвращается в состояние ожидания.

Сообщения UPDАТЕ также проверяются на наличие ошибок, таких как недостающие атрибуты, дублированные атрибуты и другие. При обнаружении ошибки взаимодействующей стороне высылается сообщение NOTIFICATION и система переводится в состояние ожидания. В состояние ожидания система возвращается также по истечении времени, заданного таймером удержания, при получении уведомления о разрыве транспортного соединения или при наступлении события “Останов”, принятого от другого узла или наступившего в результате какого-либо другого события.

При обнаружении ошибки другой стороне, участвующей в соединении, посылается уведомление об ошибке - сообщение NOTIFICATION. После этого узел, пославший сообщение, разрывает соединение.

Стороны, участвующие в сеансе связи, периодически обмениваются сообщениями типа КЕЕРАLIVЕ для того, чтобы определить наличие канала связи и возможность достижения по нему удаленного узла. Время удержания определяет максимальный интервал времени между успешным приемом двух сообщений типа КЕЕРАLIVЕ или UPDАТЕ. Сообщения типа КЕЕРАLIVЕ посылаются обычно с частотой, меньшей времени, установленного таймером удержания, на основании чего делается вывод о нормальном течении сеанса. Рекомендуемый интервал времени для посылки сообщений КЕЕРАLIVЕ -- 1/3 от значения таймера удержания. Если же таймер удержания установлен в 0, то обмен сообщениями КЕЕРАLIVЕ не ведется.

Протокол BGP предоставляет основные элементы маршрутизации, которые обеспечивают администратору достаточную гибкость при управлении. Вся сила BGP заключается в атрибутах и технологиях фильтрации маршрутов. Атрибуты представляют собой параметры, которые можно изменять в процессе выбора маршрутов в BG. Фильтрация маршрутов может выполняться как на уровне префиксов, так и над самими маршрутами. С помощью комбинирования фильтрации и манипулирования атрибутами можно добиться оптимальной работы системы маршрутизации. Ввиду того, что трафик следует по карте маршрутов, которая строится на основе обновлений маршрутов, любое изменение правил маршрутизации неизбежно повлечет за собой изменение траекторий трафика.

Контрольные вопросы

1.Назначение протокола OSPF.

2.Что такое AS в иерархической структуре сетей?

3.Какими параметрами характеризуется качество сервиса (QoS)?

4.Назначение протокола RIP.

5.Через какой интервал времени происходит периодическое обновление маршрутов по протоколу RIP?

6.Что происходит, если интервал времени, заданный таймером на ожидание обновления маршрута, истекает (по протоколу RIP)?

7.Что произойдет, если все маршрутизаторы одновременно попытаются передать обновленную маршрутную информацию своим соседям (по протоколу RIP)?

8.Назначение метрики маршрута?

9.Какие типы ошибок способен обрабатывать протокол маршрутизации RIP?

10.Какие причины вызывают передачу сообщений об изменении маршрутов по протоколу OSPF?

11.Назначение протокола BGP?

12.Посредством чего устанавливается метрика MED протокола BGP?

13.Пояснить процесс переговоров между BGP- соседями?

14.Назначение сообщения UPDATE?

15.Назначение сообщения NOTIFICATION?

16. Назначение сообщения KEEPALIVE?

Раздел 9. Transmission Control Protocol (TCP)

9.1 Назначение ТСР

9.1.1 На транспортном уровне в Интернете применяются два основных протокола - ориентированный на соединение протокол TCP и не требующий соединений протокол UDP.

Протокол TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей) был специально разработан для предоставления надежного сквозного байтового потока в ненадежной сети. Приложения, которые полагаются на транспортный уровень в вопросе надежности доставки данных, используют протокол TCP. Данные в этом случае доставляются через сеть в правильном порядке. TCP - байт - потоковый двунаправленный протокол, ориентированный на соединение.

Протокол TCP описан в RFC (Requests for Comments) 793. Со временем были обнаружены различные ошибки и неточности и в некоторых местах требования были изменены. Подробное описание этих уточнений и исправлений дается в RFC 1122. Расширения протокола приведены в RFC 1323.

Протоколы Internet можно использовать для передачи сообщений через любой набор объединенных между собой сетей. Они в равной мере пригодны для связи как в локальных, так и в глобальных сетях. Комплект протоколов Internet включает в себя не только спецификации низших уровней (такие, как ТСР и IP), но также спецификации для таких общих применений, как почта, эмуляция терминалов и передача файлов.

9.1.2 Объединенная сеть отличается от единой сети тем, что ее различные участки могут обладать сильно различающейся топологией, пропускной способностью, значениями времени задержки, размерами пакетов и другими параметрами. При разработке протокола TCP основное внимание уделялось его способности адаптироваться к свойствам объединенной сети и устойчивости по отношению к различным типам отказов.

Каждая машина, поддерживающая протокол TCP, обладает транспортной сущностью TCP, являющейся либо пользовательским процессом, либо частью ядра системы, управляющей TCP-потоками и интерфейсами с IP-уровнем. TCP-сущность принимает от локальных процессов пользовательские потоки данных, разбивает их на куски, не превосходящие 64 Кбайт (на практике обычно около 1500 байт), и посылает их в виде отдельных IP-дейтаграмм. Когда IP-дейтаграммы с TCP-данными прибывают на машину, они передаются ТСР - сущности, которая восстанавливает исходный поток байтов.

Уровень IP не гарантирует правильной доставки дейтаграмм, поэтому именно TCP приходится следить за истекшими интервалами ожидания и заниматься повторной передачей пакетов, восстанавливать сообщения из прибывших не в том порядке дейтаграмм. Таким образом, протокол TCP должен обеспечить надежность, желаемую многими пользователями и не предоставляемую протоколом IP.

Семейство протоколов TCP/IP работает на любых моделях компьютеров, произведенных различными производителями компьютерной техники и работающих под управлением различных операционных систем. С помощью протоколов TCP/IP можно объединить практически любые компьютеры. И что самое удивительное, сегодняшние реализации протокола TCP/IP очень далеки от того, как он задумывался исходно. В настоящее время это действительно открытая система, а именно, семейство протоколов и большое количество бесплатных реализаций (либо достаточно дешевых). Они составляют основу того, что в настоящее время называется словом Internet.

9.2 Уровневое взаимодействие Internet протоколов

9.2.1 Сетевые протоколы обычно разрабатываются по уровням, причем каждый уровень отвечает за собственную фазу коммуникаций. Семейства протоколов, такие как TCP/IP, это комбинации различных протоколов на различных уровнях. В таблице 10 представлены уровни эталонной модели взаимодействия открытых систем.

Таблица 10 - Уровни ЭМВОС

№	Уровень	Свойства
7	Прикладной	Telnet, FTP, DNS, RIP, TFTP, e-mail и так далее
6	Представления	Трансляция
5	Сеансовый	Организация логические каналы
4	Транспортный	TCP,UDP
3	Сетевой	IP, ICMP, IGMP
2	Канальный	Драйвер устройства и интерфейсная плата
1	Физический	RC-232, RJ-45 и так далее

9.2.2 Каждый уровень несет собственную функциональную нагрузку

-Физический уровень. Реализует управление каналом связи, что сводится к подключению и отключению канала связи и форматированию сигналов, представляющих передаваемые данные.

-Канальный уровень (link layer). Еще его называют уровнем сетевого интефейса. Обычно включает в себя драйвер устройства в операционной системе и соответствующую сетевую интерфейсную плату в компьютере. Вместе они обеспечивают аппаратную поддержку физического соединения с сетью (с кабелем или с другой используемой средой передачи).

-Сетевой уровень (network layer), иногда называемый уровнем межсетевого взаимодействия, отвечает за передачу пакетов по сети. Маршрутизация пакетов осуществляется именно на этом уровне. IP (Internet Protocol - протокол Internet), ICMP (Internet Control Message Protocol - протокол управления сообщениями Internet) и IGMP (Internet Group Management Protocol - протокол управления группами Internet) обеспечивают сетевой уровень в семействе протоколов TCP/IP.

-Транспортный уровень (transport layer) отвечает за передачу потока данных между двумя компьютерами и обеспечивает работу прикладного уровня, который находится выше. В семействе протоколов TCP/IP существует два транспортных протокола: TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol). TCP осуществляет надежную передачу данных между двумя компьютерами. Он обеспечивает деление данных, передающихся от одного приложения к другому, на пакеты подходящего для сетевого уровня размера, подтверждение принятых пакетов, установку тайм-аутов, в течение которых должно прийти подтверждение на пакет, и так далее. Так как надежность передачи данных гарантируется на транспортном уровне, на прикладном уровне эти детали игнорируются. UDP предоставляет более простой сервис для прикладного уровня. Он просто отсылает пакеты, которые называются дейтаграммами (datagram) от одного компьютера к другому. При этом нет никакой гарантии, что дейтаграмма дойдет до пункта назначения. За надежность передачи данных, при использовании дейтаграмм отвечает прикладной уровень. Для каждого транспортного протокола существуют различные приложения, которые их используют.

-Сеансовый уровень. Организует сеансы связи на период взаимодействия процессов. На этом уровне по запросам процессов создаются порты для приёма и передачи сообщений и организуется соединения - логические каналы.

-Представления уровень. Осуществляет трансляцию различных языков, форматов данных и кодов для взаимодействия разнотипных компьютеров, оснащённых специфичными операционными системами и работающих в различных кодах между собой и с терминалами разных типов. Взаимодействие процессов, базирующихся на различных языках представления и обработки данных, организуется на основе стандартных форм представления заданий и наборов данных. Процедуры уровня представления интерпретируют стандартные сообщения применительно к конкретным системам, компьютерам и терминалам. Этим создаётся возможность взаимодействия, например, одной программы с терминалами разных типов.

-Прикладной уровень (application layer) определяет детали каждого конкретного приложения. Существует несколько распространенных приложений TCP/IP, которые присутствуют практически в каждой реализации:

-Telnet - терминальный доступ к удалённым серверам;

-FTP (File Transfer Protocol) - протокол передачи файлов;

-SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - простой протокол передачи электронной почты;

-SNMP (Simple Network Management Protocol) - простой протокол управления сетью;

Иерархию TCP/IP-сетях обычно представляют в виде пятиуровневой концептуальной модели (RFC-791 и RFC-1349), приведённой на рисунке 102

Аббревиатуры на рисунке 102 имеют следующие значения:

- ARP (Address Resolution Protocol) - протокол используется для определения соответствия IP-адресов и Ethernet-адресов;

- SLIP (Serial Line Internet Protocol) - протокол передачи данных по телефонным линиям;

- PPP (Point to Point Protocol) протокол обмена данными "точка-точка".

- RIP (Routing Information Protocol) - протокол дистанционной векторной маршрутизации;

- RPC (Remote Process Control) - протокол управления удаленными процессами;

- NFS (Network File System0 - распределенная файловая система и система сетевой печати;

- DNS (Domain Name System) - система доменных имен;

- TFTP (Trivial File Transfer Protocol) - тривиальный протокол передачи файлов.

Рисунок 102 - Архитектура и совокупность протоколов TCP/IP узла связи сети Internet

9.3 Модель сервиса TCP

9.3.1 В основе TCP сервиса лежат так называемые сокеты (гнезда или конечные точки), создаваемые отправителем и получателем. У каждого сокета есть номер (адрес), состоящий из IP-адреса хоста и 16-битового номера, локального по отношению к хосту, называемого портом. Портом в TCP называют TSAP-адрес. Чтобы обратиться к службе TCP, между сокетом машины отправителя и сокетом машины получателя должно быть явно установлено соединение.

Один сокет может использоваться одновременно для нескольких соединений. Другими словами, два и более соединений могут заканчиваться в одном сокете. Соединения различаются по идентификаторам сокетов на обоих концах, то есть (socket1, socket2). Номера виртуальных каналов или другие идентификаторы не используются.

Номера портов с номерами ниже 1024, называемые популярными портами, зарезервированы за стандартными службами. Например, любой процесс, желающий установить соединение с хостом для передачи файла с помощью протокола FTP, может связаться с портом 21 хоста - адресата и обратиться, таким образом, к его FTP-домену. Аналогично, для установки сеанса удаленного терминала с помощью программы TELNET используется порт 23. Список популярных портов приведен в RFC 1700

Все TCP-соединения являются дуплексными и двухточечными, это означает, что трафик может двигаться одновременно в противоположные стороны и что у каждого соединения ровно две конечные точки. Широковещание и многоадресная рассылка протоколом TCP не поддерживаются.

9.3.2 TCP-соединение представляет собой байтовый поток, а не поток сообщений (рисунок 103). Разграничения между сообщениями не сохраняются. Например, если отправляющий процесс записывает в TCP-поток четыре 512-байтовых порции данных, эти данные могут быть доставлены получающему процессу в виде четырех 512-байтовых порций, двух 1024-байтовых порций, одной 2048-байтовой порции или как-нибудь еще. Нет способа, которым получатель смог бы определить, какими порциями записывались данные.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 103.- Четыре 512-байтовых сегмента, посланные как отдельные IP-дейтаграммы (а); 2048 байт данных, доставленные приложению с помощью отдельного вызова процедуры READ (б)

Получив данные от приложения, протокол TCP может послать их сразу пли поместить в буфер, чтобы послать сразу большую порцию данных, по своему усмотрению. Однако иногда приложению бывает необходимо, чтобы данные были посланы немедленно. Предположим, что пользователь регистрируется на удаленной машине. После того как он ввел команду и нажал клавишу Enter, важно, чтобы введенная им строка была доставлена на удаленную машину сразу же, а не помещалась в буфер, пока не будет введена следующая строка. Чтобы вынудить передачу данных без промедления, приложение может установить флаг «PUSH» (протолкнуть).

Некоторые старые приложения использовали флаг «PUSH» как разделитель сообщений. Хотя этот трюк иногда срабатывает, не все реализации протокола TCP передают флаг «PUSH» принимающему приложению. Кроме того, прежде чем первый пакет с установленным флагом «PUSH» будет передан в линию, TCP-протокол получит еще несколько таких пакетов (то есть выходная линия будет занята), TCP-протокол имеет право послать все эти данные в виде единой дейтаграммы, не разделяя их на отдельные порции.

Ещё одной особенностью TCP-службы являются срочные данные. Когда интерактивный пользователь нажимает клавишу Delete или Ctrl-C, чтобы прервать начавшийся удаленный процесс, посылающее приложение помещает в выходной поток данных управляющую информацию и передает ее TCP-службе вместе с флагом «URGENT» (срочно). Этот флаг заставляет TCP-сущность прекратить аккумулирование данных и без промедления передать в сеть все, что у нее накопилось для данного сообщения.

Когда срочные данные прибывают по назначению, получающее приложение прерывается («получает сигнал» в терминологии UNIX), после чего оно может прочитать данные из входного потока и найти среди них срочные. Конец срочных данных маркируется, так что приложение знает, где они заканчиваются. Начало срочных данных не маркируется. Приложение должно само догадаться. Такая схема представляет собой грубый сигнальный механизм, оставляя все прочее приложению.

9.4 Протокол TCP

9.4.1 Несмотря на кажущуюся простоту, ТСР протокол достаточно сложен и должен решать следующие основные проблемы:

-восстанавливать порядок сегментов;

-убирать дубликаты сегментов, в каком бы виде (фрагментация) они не поступали;

-определять разумную задержку для «time out» для подтверждений в получении сегмента;

-устанавливать и разрывать соединения надежно;

-управлять потоком;

-управлять перегрузками.

В TCP-соединении у каждого байта есть свой 32-разрядный последовательный номер. Если хост передает со скоростью 10 Мбит/с, теоретически порядковые номера могут совершить полный круг за один час, хотя на практике это занимает значительно больше времени. Порядковые номера используются как для подтверждений, так и для механизма скользящего окна, использующих отдельные 32-разрядные поля заголовка.

Две TCP-сущности обмениваются данными в виде сегментов. Сегмент состоит из фиксированного 20-байтового заголовка (плюс необязательная часть), за которым могут следовать байты данных. Размер сегментов определяется программным обеспечением TCP. Оно может объединять в один сегмент данные, полученные в результате нескольких операций записи, или, наоборот, распределять результат одной записи между несколькими сегментами. Размер сегментов ограничен двумя пределами. Во-первых, каждый сегмент, включая TCP-заголовок, должен помещаться в 65 535-байтовое ноле полезной нагрузки IP-пакета. Во-вторых, в каждой сети есть максимальная единица передачи (MTU, Maximum Transfer Unit), и каждый сегмент должен помещаться в MTU. На практике размер максимальной единицы передачи составляет несколько тысяч байт, определяя, таким образом, верхний предел размера сегмента. Если сегмент проходит через последовательность сетей и попадает в сеть, чья MTU-единица оказывается меньше размера сегмента, пограничный маршрутизатор фрагментирует сегмент на две или более части.

При фрагментации каждый новый сегмент получает свой IP-заголовок (20 байт), что увеличивает накладные расходы.

Основным протоколом, используемым TCP-сущностями, является протокол скользящего окна. При передаче сегмента отправитель включает таймер. Когда сегмент прибывает в пункт назначения, получающая TCP-сущность посылает обратно сегмент (с данными, если ей есть, что посылать, или без данных) с номером подтверждения, равным следующему порядковому номеру ожидаемого сегмента. Если время ожидания подтверждения истекает, отправитель посылает сегмент еще раз.

Поскольку сегменты могут фрагментироваться, возможна ситуация, в которой часть переданного сегмента будет принята, а остальная часть окажется потерянной. Кроме того, сегменты могут прибывать не в том порядке, так что возможна ситуация, в которой байты с 3072 по 4095 уже прибыли, но подтверждение для них не может быть выслано, так как байты с 2048 по 3071 еще не получены. К тому же сегменты могут так надолго задерживаться в сети, что у отправителя истечет интервал ожидания, и он передаст их снова. Если переданный повторно сегмент пройдет по другому маршруту и будет по-другому фрагментирован, отдельные части оригинала и дубликата будут появляться спорадически, в результате для восстановления исходного сегмента потребуется более сложная обработка. Наконец, сегмент может по дороге случайно попасть в перегруженную (или поврежденную) сеть.

Протокол TCP должен уметь справляться с этими проблемами и решать их эффективно. Оптимизации производительности TCP-потоков были уделены значительные усилия.

9.4.2 Заголовок TCP-сегмента представлен на рисунке 104. Каждый сегмент начинается с 20-байтового заголовка фиксированного формата. За фиксированным заголовком могут следовать дополнительные поля. После дополнительных полей может располагаться до 65 536 - 20 - 20 = 65 495 байт данных, где первые 20 байт означают IP-заголовок, а вторые - TCP-заголовок. Сегменты могут и не содержать данных. Такие сегменты часто применяются для передачи подтверждений и управляющих сообщений.

Порт отправителя 16 бит	Порт получателя 16 бит
Порядковый номер 32 бит
Номер подтверждения 32 бит
Длина TCP-заголовка 4 бит	Зарезервировано 6 бит	URG	АСК	РSН	RSТ	SYN	FIN	Размер окна 16 бит
Контрольная сумма 16 бит	Указатель на срочные данные 16 бит
Параметры (0 или более 32-разрядных слов) (переменная длина)
Данные (необязательное поле) (переменная длина)

Рисунок 104 - TCP-заголовок

Рассмотрим TCP-заголовок поле за полем.

-Поля «Порт получателя» (Source Port) и «Порт (Destination Port) отправителя» являются идентификаторами локальных конечных точек соединения. Каждый хост может сам решать, как назначать свои порты, начиная с 1024. Номер порта вместе с IP-адресом хоста образуют уникальный 48-битовый TSAP-адрес. Пара номеров сокетов получателя и отправителя служит идентификатором соединения.

-Поле «Порядковый номер» (Sequence number) идентифицирует байт в потоке данных от отправляющего TCP к принимающему TCP. Если мы представим поток байтов, текущий в одном направлении между двумя приложениями, TCP нумерует каждый байт номером последовательности. Номер последовательности представляет собой 32-битное беззнаковое число, которое переходит через 0 по достижению значения 232 - 1.