Směrování a routovací tabulka

Směrování (routing) je určování cesty, kterou se datagram dostane od odesílatele k příjemci v jiné síti. Provádějí ho routery na síťové vrstvě: každý router přečte cílovou IP adresu, ve své směrovací (routovací) tabulce najde, kterým rozhraním a ke kterému sousednímu routeru datagram poslat, a předá ho dál. Tak se datagram krok za krokem (hop by hop) dostane k cíli. Propojením sítí LAN a WAN routery vzniká rozsáhlá datová síť – i celý Internet. Tato stránka vysvětluje směrovací tabulku, statické a dynamické směrování a nejpoužívanější směrovací protokoly. Úlohu routeru mezi síťovými prvky popisuje stránka aktivní síťové prvky.

Základní pojmy

• Router (směrovač) – zařízení, které propojuje sítě a hledá optimální cestu do každé z nich.
• Routing (směrování) – přeposílání (forwarding) dat mezi sítěmi a výběr cesty.
• Route (trasa) – cesta k určité cílové síti zapsaná ve směrovací tabulce.
• Next hop (další skok) – sousední router, kterému se datagram předá na cestě k cíli.
• Směrovaný protokol (routed) – protokol, jehož pakety se směrují: IP (dříve i IPX, AppleTalk).
• Směrovací protokol (routing) – protokol, kterým si routery vyměňují informace o sítích a hledají nejlepší cestu: RIP, OSPF, EIGRP, BGP.
• Metrika – číselné vyjádření „ceny“ cesty; z více cest k jedné síti se vybere ta s nejmenší metrikou.
• Administrativní vzdálenost (AD) – důvěryhodnost zdroje informace o trase, číslo 0–255.
• Konvergence – stav, kdy se všechny routery shodnou na topologii sítě a mají aktuální tabulky; čím rychleji ho síť po změně dosáhne, tím lépe.
• Výchozí brána (default gateway) – router, přes který se počítače dostanou do vnější sítě, obvykle do Internetu.

Router pro svou práci potřebuje znát cílovou adresu, sousední routery, od kterých se dozví o vzdálených sítích, možné trasy do všech vzdálených sítí, optimální trasu do každé z nich a způsob, jak tyto informace udržovat aktuální.

Směrovací tabulka

Směrovací tabulku má každý uzel sítě – router i obyčejný počítač (Windows route print, Linux ip route). Říká, na které rozhraní a kterému dalšímu routeru poslat datagram podle jeho cílové adresy (směrování podle cíle). Každý záznam obsahuje:

• cílovou síť a její masku (prefix),
• next hop – adresu dalšího routeru, nebo informaci, že je síť připojena přímo,
• výstupní rozhraní,
• zdroj záznamu (přímo připojená, statická, protokol) s administrativní vzdáleností a metrikou.

Jak router zpracuje datagram

1. Přijme rámec a podívá se, jaký protokol nese; protokol, který nezná, zahodí.
2. Z hlavičky IP datagramu přečte cílovou adresu.
3. Projde směrovací tabulku a najde všechny záznamy, do jejichž sítě cílová adresa patří.
4. Z nich vybere ten s nejdelším prefixem (nejpřesnější shoda, longest prefix match).
5. Datagram pošle příslušným rozhraním dalšímu routeru, nebo přímo cílovému zařízení, je-li síť připojena přímo.
6. Když žádný záznam nevyhovuje, použije výchozí trasu (default route, 0.0.0.0/0); nemá-li ani tu, datagram zahodí a pošle odesílateli ICMP „cíl nedostupný“.

Řešený příklad – nejdelší shoda

Router má v tabulce tyto záznamy:

• Datagram pro 172.16.5.9 vyhovuje záznamům /0, /16 i /24. Vybere se nejdelší prefix /24 → pošle se routeru R3.
• Datagram pro 172.16.9.1 vyhovuje /0 a /16 (do 172.16.5.0/24 nepatří) → router R2.
• Datagram pro 8.8.8.8 vyhovuje jen výchozí trase → poskytovatel.

Výpis směrovací tabulky na routeru Cisco

Příkaz show ip route zobrazí tabulku; písmeno na začátku řádku udává zdroj trasy:

Gateway of last resort is 10.0.0.2 to network 0.0.0.0

C     10.0.0.0/30 is directly connected, Serial0/0/0
L     10.0.0.1/32 is directly connected, Serial0/0/0
C     192.168.1.0/24 is directly connected, GigabitEthernet0/0
L     192.168.1.1/32 is directly connected, GigabitEthernet0/0
S     192.168.2.0/24 [1/0] via 10.0.0.2
O     172.16.0.0/16 [110/65] via 10.0.0.2, 00:12:31, Serial0/0/0
S*    0.0.0.0/0 [1/0] via 10.0.0.2

• C – přímo připojená síť (connected), L – adresa vlastního rozhraní (local),
• S – statická trasa, S* – výchozí statická trasa (gateway of last resort),
• R – naučeno protokolem RIP, O – OSPF, D – EIGRP, B – BGP,
• v hranatých závorkách je [administrativní vzdálenost/metrika], např. [110/65] = OSPF s cenou 65.

Statické a dynamické směrování

Statické směrování

Trasy do směrovací tabulky zapíše ručně správce.

• Výhody: žádná zátěž procesoru routeru ani linek (routery si nic nevyměňují), vyšší bezpečnost, plná kontrola nad cestou.
• Nevýhody: správce se může snadno splést; každou novou síť musí ručně doplnit na všechny routery; při výpadku linky se cesta sama nezmění. Hodí se jen pro malé sítě a pro spojení s jedinou cestou (např. firma – poskytovatel).

Router(config)# ip route 192.168.2.0 255.255.255.0 10.0.0.2

Zápis říká: „síť 192.168.2.0/24 je dostupná přes další router 10.0.0.2“.

Výchozí trasa (default route)

Díky výchozí trase nemusí router znát cestu ke všem sítím – vše, co nezná, pošle jedním směrem. Používá se na okraji sítě, kde vede ven jediná linka (k poskytovateli Internetu). Odpovídá výchozí bráně v počítači.

Router(config)# ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 10.0.0.1

Dynamické směrování

Routery si informace o sítích vyměňují samy pomocí směrovacích protokolů a tabulky si sestavují a aktualizují automaticky. Směrovací protokol se skládá z datových struktur (tabulky a databáze v RAM), algoritmu pro výpočet nejlepší cesty a zpráv pro hledání sousedů a výměnu informací. Jeho úkolem je:

1. vysílat a přijímat směrovací aktualizace,
2. vypočítat nejlepší cestu a zapsat ji do směrovací tabulky,
3. zjistit změnu topologie (výpadek linky) a reagovat na ni – najít jinou cestu.

Šetří čas správce a sítě se přizpůsobí výpadkům, ale zatěžují router a linky a je potřeba je zabezpečit.

Metrika a administrativní vzdálenost

Metrika porovnává cesty v rámci jednoho protokolu. Protokoly používají různé metriky:

• počet skoků (hops) – počet routerů na cestě (RIP),
• šířka pásma – preferuje se rychlejší linka,
• zpoždění, zatížení linky a spolehlivost (podle počtu chyb a výpadků),
• cena (cost) – hodnota odvozená z rychlosti linky nebo nastavená správcem (OSPF, IS-IS).

EIGRP používá složenou metriku z šířky pásma a zpoždění (volitelně i zatížení a spolehlivosti).

Administrativní vzdálenost rozhoduje, když se router o téže síti dozví z různých zdrojů. Vybere se trasa s nejmenší AD; teprve při stejné AD rozhoduje metrika.

Druhy směrovacích protokolů

Vnitřní a vnější

• Autonomní systém (AS) je skupina sítí a routerů pod jednou správou s jednou směrovací politikou – síť poskytovatele, velké firmy, univerzity. AS má přidělené číslo (ASN).
• Vnitřní směrovací protokoly (IGP) směrují uvnitř jednoho AS: RIP, OSPF, EIGRP, IS-IS.
• Vnější směrovací protokoly (EGP) směrují mezi autonomními systémy: dnes jediný BGP, který drží pohromadě celý Internet.

Vektor vzdálenosti (distance-vector)

• Trasy se ohlašují jako vzdálenost (metrika, např. počet skoků) a směr (další router).
• Router nezná celou topologii – ví jen, kterým směrem paket poslat a jak je cíl daleko („podle ukazatelů u cesty“).
• Routery periodicky posílají celou svou tabulku sousedům, ti si podle ní upraví vlastní a pošlou ji dál.
• Konvergence je pomalá a hrozí směrovací smyčky a „počítání do nekonečna“. Brání se jim:
  • split horizon – router neohlásí trasu zpět rozhraním, ze kterého se ji naučil,
  • route poisoning – nedostupná síť se ohlásí s nekonečnou metrikou (u RIP 16),
  • hold-down timer – po výpadku router chvíli ignoruje horší informace o síti, než se situace uklidní.
• Příklady: RIP, IGRP; EIGRP je vylepšený (pokročilý) distance-vector. Upraveným typem je path-vector (BGP), který místo vzdálenosti ohlašuje celou posloupnost AS na cestě.

Stav linek (link-state)

• Každý router zná celou topologii oblasti („má mapu“). Informace o svých linkách – adresu a masku přilehlých sítí, adresu svého rozhraní, typ sítě (Ethernet nebo dvoubodová linka), cenu linky a sousední routery – rozešle všem ostatním v oblasti v paketech LSA/LSP.
• Z takto získané databáze topologie si každý router sám spočítá nejkratší cesty Dijkstrovým algoritmem SPF (Shortest Path First) – strom nejkratších cest se sebou jako kořenem.
• Sousedy hledá a hlídá pakety Hello. LSA se posílají jen při změně a obsahují jen ji, takže síť konverguje rychle.
• Spotřebuje více paměti a výkonu routeru; velké sítě se proto dělí do oblastí.
• Příklady: OSPF, IS-IS.

Třídní a beztřídní protokoly

• Třídní (classful) protokoly neposílají v aktualizacích masku – předpokládají masku podle třídy adresy. Nepodporují VLSM ani nesouvislé podsítě (RIPv1, IGRP).
• Beztřídní (classless) protokoly posílají s každou sítí i masku, takže podporují CIDR a VLSM (RIPv2, OSPF, EIGRP, IS-IS, BGP).

Nejpoužívanější směrovací protokoly

RIP (Routing Information Protocol)

• Distance-vector, metrikou je počet skoků; nejvýše 15 skoků, metrika 16 znamená nedostupnou síť.
• Běží nad UDP, port 520. Každých 30 s posílá sousedům celou tabulku; při změně přímo připojené sítě posílá i okamžitou (spouštěnou) aktualizaci. AD je 120.
• RIPv1 je třídní, aktualizace posílá broadcastem a nepodporuje ověřování. Zpráva má čtyřbajtové záhlaví se třemi poli: Command (typ zprávy), Version (1) a Must be Zero (rezerva).
• RIPv2 je beztřídní (posílá masku, podporuje VLSM a CIDR), aktualizace posílá na multicastovou adresu 224.0.0.9 a podporuje ověřování. Pro IPv6 existuje RIPng.
• Jednoduchý na nastavení, ale plýtvá pásmem, konverguje pomalu a „hloupá“ metrika nezohledňuje rychlost linek. Hodí se jen pro malé sítě nebo jejich okraj.

EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)

• Původně firemní protokol Cisco (2013 zveřejněn), nástupce IGRP. Pokročilý distance-vector s rychlou konvergencí a bez smyček (algoritmus DUAL), podporuje VLSM; nejvýše 255 skoků; AD 90.
• Složená metrika z šířky pásma a zpoždění.
• Aktualizace posílá jen při změně a jen routerům, kterých se týká (šetří pásmo). Typy paketů: Hello (hledání a kontrola sousedů ve stejném AS), Update (změny), Query (dotaz na cestu), Reply (odpověď).
• Udržuje tři tabulky: sousedů (neighbor), topologie (všechny naučené cesty včetně záložních) a směrovací (jen nejlepší cesty – successor). Záložní cestu (feasible successor) má připravenou, takže po výpadku přepne okamžitě.
• Routery si informace vyměňují jen v rámci stejného čísla AS.

OSPF (Open Shortest Path First)

• Otevřený standard, link-state protokol pro velké a různorodé sítě; běží přímo nad IP (protokol 89); AD 110.
• Metrikou je cena (cost) odvozená z rychlosti linky: cena=108/šířka pásma v b/s, takže 100 Mb/s má cenu 1, 10 Mb/s cenu 10.
• Počet skoků není omezen, podporuje VLSM a ověřování, aktualizace posílá multicastem (224.0.0.5 a 224.0.0.6).
• Funguje ve třech krocích: navázání sousedství pakety Hello (standardně každých 10 s, soused je prohlášen za mrtvého po 40 s), zaplavení oblasti informacemi o linkách a výpočet nejkratších cest algoritmem SPF.
• Sousedy se stanou jen routery se stejným intervalem Hello a Dead, ve stejné podsíti se stejnou maskou a ve stejné oblasti.
• Hierarchie oblastí: velká síť se rozdělí na oblasti (areas), které jsou všechny připojeny k páteřní oblasti 0 (backbone). Výpočet SPF se opakuje po každé změně, a rozdělení na oblasti proto omezuje zátěž – změna v jedné oblasti nenutí přepočítávat ostatní. Router uvnitř jedné oblasti je vnitřní, router na hranici dvou oblastí hraniční (ABR).

BGP (Border Gateway Protocol)

• Vnější směrovací protokol, kterým si trasy vyměňují autonomní systémy – poskytovatelé Internetu. Je to jediný EGP, který se dnes používá (starší protokol EGP je zastaralý).
• Typ path-vector: u každé sítě ohlašuje celou posloupnost AS, přes které k ní cesta vede; podle ní se vyhne smyčkám a uplatní směrovací politiku (smlouvy mezi poskytovateli), ne nejkratší cestu.
• Běží nad TCP (port 179). eBGP spojuje různé AS, iBGP šíří informace uvnitř jednoho AS. Globální tabulka Internetu má přes milion IPv4 tras.

Porovnání

Konfiguraci směrování v simulátoru ukazuje stránka Cisco Packet Tracer.

Otázky k opakování

1. Co obsahuje záznam ve směrovací tabulce? cílovou síť s maskou, next hop nebo informaci o přímém připojení, výstupní rozhraní, zdroj, AD a metriku
2. Podle čeho router vybere záznam, když cílové adrese vyhovuje více záznamů? podle nejdelšího prefixu (nejpřesnější shody)
3. K čemu je výchozí trasa a jak se zapisuje? použije se pro všechny cíle, které router nezná; 0.0.0.0/0
4. Porovnejte statické a dynamické směrování. statické: ruční, bez režie, bezpečné, ale pracné a nereaguje na výpadky; dynamické: automatické, přizpůsobí se změnám, ale zatěžuje router a linky
5. Jaký je rozdíl mezi metrikou a administrativní vzdáleností? metrika porovnává cesty v rámci jednoho protokolu, AD porovnává důvěryhodnost různých zdrojů (protokolů)
6. Router zná cestu k síti ze statické trasy i z OSPF. Kterou použije? statickou – má AD 1, OSPF 110
7. Čím se liší protokoly distance-vector a link-state? distance-vector zná jen vzdálenost a směr a posílá tabulky sousedům; link-state zná celou topologii a cesty si počítá algoritmem SPF
8. Jaký je maximální počet skoků u RIP a jak často posílá aktualizace? 15 (16 = nedostupná síť); každých 30 s
9. Proč se síť OSPF dělí na oblasti a jak se jmenuje páteřní oblast? aby se omezila zátěž výpočtem SPF a velikost databáze; oblast 0
10. Co je autonomní systém a který protokol mezi nimi směruje? skupina sítí pod jednou správou s jednou směrovací politikou; BGP