Previous: 4.4.11.2 Протокол OSPF (алгоритм Дикстры)    UP: 4.4.11 Протоколы маршрутизации (обзор, таблицы маршрутизации, вектор расстояния)     Next: 4.4.11.4 Внешний протокол маршрутизации BGP

4.4.11.3 Протокол IGRP

Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)

Протокол IGRP разработан фирмой CISCO для своих многопротокольных маршрутизаторов в середине 80-х годов. Хотя этот протокол и не является стандартным, я счел возможным включить его описание, так как маршрутизаторы этой фирмы относятся к наиболее массовым. IGRP представляет собой протокол, который позволяет большому числу маршрутизаторов координировать свою работу. Основные достоинства протокола (описание протокола взято из депозитария FTP.CISCO.COM/pub/igrp.doc).

• стабильность маршрутов даже в очень больших и сложных сетях;
• быстрый отклик на изменения топологии сети;
• минимальная избыточность. Поэтому IGRP не требует дополнительной пропускной способности каналов для своей работы;
• разделение потока данных между несколькими параллельными маршрутами, примерно равного достоинства;
• учет частоты ошибок и уровня загрузки каналов;
• возможность реализовать различные виды сервиса для одного и того же набора информации.

Сегодняшняя реализация протокола ориентирована на TCP/IP. Однако, базовая конструкция системы позволяет использовать IGRP и с другими протоколами. IGRP имеет некоторое сходство со старыми протоколами, например с RIP и Hello. Здесь маршрутизатор обменивается маршрутной информацией только с непосредственными соседями. Поэтому задача маршрутизации решается всей совокупностью маршрутизаторов, а не каждым отдельно.

Для того чтобы исключить осцилляции маршрутов, протокол IGRP должен игнорировать новую информацию в течение нескольких минут после ее возникновения. OSPF-протокол вынужден использовать большую избыточность информации по сравнению с IGRP, как на уровне базы маршрутных данных, так и в процессе обмена с внешней средой.

IGRP используется в маршрутизаторах, которые имеют связи с несколькими сетями и выполняют функции переключателей пакетов. Когда какой-то объект в одной сети хочет послать пакет в другую сеть, он должен послать его соответствующему маршрутизатору. Если адресат находится в одной из сетей, непосредственно связанной с маршрутизатором, он отправляет этот пакет по месту назначения. Если же адресат находится в более отдаленной сети, маршрутизатор перешлет пакет другому маршрутизатору, расположенному ближе к адресату. Здесь также как и в других протоколах для хранения маршрутных данных используются специализированные базы данных.

Протокол IGRP формирует эту базу данных на основе информации, которую он получит от соседних маршрутизаторов. В простейшем случае находится один путь для каждой из сетей. Сегменты пути характеризуются используемым сетевым интерфейсом, метрикой и маршрутизатором, куда следует сначала послать пакет. Метрика - то число, которое говорит о том, насколько хорош данный маршрут. Это число позволяет сравнить его с другими маршрутами, ведущими к тому же месту назначения и обеспечивающим тот же уровень QOS. Предусматривается возможность (как и в OSPF) разделять информационный поток между несколькими доступными эквивалентными маршрутами. Пользователь может сам разделить поток данных, если два или более пути оказались почти равными по метрике, при этом большая часть трафика будет послана по пути с лучшей метрикой. Метрика, используемая в IGRP, учитывает:

• время задержки;
• пропускную способность самого слабого сегмента пути (в битах в сек);
• загруженность канала (относительную);
• надежность канала (определяется долей пакетов, достигших места назначения неповрежденными).

Время задержки предполагается равным времени, необходимому для достижения места назначения при нулевой загрузке сети. Дополнительные задержки, связанные с загрузкой учитываются отдельно.

Среди параметров, которые контролируются, но не учитываются метрикой, находятся число шагов до цели и MTU (maximum transfer unit - размер пакета пересылаемого без фрагментации). Расчет метрики производится для каждого сегмента пути.

Время от времени каждый маршрутизатор широковещательно рассылает свою маршрутную информацию всем соседним маршрутизаторам. Получатель сравнивает эти данные с уже имеющимися и вносит, если требуется, необходимые коррекции. На основании вновь полученной информации могут быть приняты решения об изменении маршрутов. Эта процедура типична для многих маршрутизаторов и этот алгоритм носит имя Белмана-Форда. (см. также описание протокола RIP, RFC-1058). Наилучший путь выбирается с использованием комбинированной метрики, вычисленной по формуле:

[(K1 / B_e) + (K2 * D_c)] r [1],

где: K1, K2 = константы;

B_e= пропускная способность канала (в отсутствии загрузки) * (1 - загрузка канала);
D_c = топологическая задержка;

r = относительная надежность. (% пакетов, успешно передаваемых по данному сегменту пути). Здесь загрузка измеряется как доля от 1.

Путь, имеющий наименьшую комбинированную метрику, считается лучшим. В такой схеме появляется возможность, используя весовые коэффициенты, адаптировать выбор маршрутов к задачам конечного пользователя.

Одним из преимуществ IGRP является простота реконфигурации. В IGRP маршрут по умолчанию не назначается, а выбирается из числа кандидатов.

Когда маршрутизатор включается, его маршрутные таблицы инициализируются оператором вручную или с использованием специальных файлов. На рис. 4.4.11.3.1 маршрутизатор S связан через соответствующие интерфейсы с сетями 2 и 3.

Рис. 4.4.11.3.1

Таким образом, в исходный момент маршрутизатор S знает только о доступности сетей 2 и 3. За счет обмена информацией, полученной при инициализации и присланной позднее соседями, маршрутизаторы познают окружающий мир. Так S спустя некоторое время получит информацию от маршрутизатора R о доступности сети 1 и от T - о сети 4. В свою очередь S проинформирует T о доступе к сети 1. Очень быстро информация о доступности дойдет до всех маршрутизаторов и разрозненные сети станут единым целым. Для пояснения выбора маршрута в условиях многовариантности рассмотрим схему на рис. 4.4.11.3.2.

Рис. 4.4.11.3.2.  Пример с альтернативными маршрутами

Пусть каждый из маршрутизаторов уже вычислил комбинированную метрику для системы, изображенной на рис. 4.4.11.3.2. Для места назначения в сети 6 маршрутизатор A вычислит метрику для двух путей, через маршрутизаторы B и C. В действительности существует три маршрута из a в сеть 6:

- непосредственно в B
- в C и затем в B
- в C и затем в D

Маршрутизатору A не нужно выбирать между двумя маршрутами через C. Маршрутная таблица в A содержит только одну запись, соответствующую пути к C. Если маршрутизатор A посылает пакет маршрутизатору C, то именно C решает, использовать далее путь через маршрутизаторы B или D.

Для каждого типа канала используется свое стандартное значение комбинированной задержки. Ниже приведен пример того, как может выглядеть маршрутная таблица в маршрутизаторе A для сети, изображенной на рис. 4.4.11.3.3.

Рис. 4.4.11.3.3.  Пример маршрутной таблицы

Для того чтобы обеспечить работу с большими и сложными сетями, в IGRP введены три усовершенствования алгоритма Белмана-Форда:

1. Для описания путей вместо простой, введена векторная метрика. Расчет комбинированной метрики проводится с использованием формулы [1]. Применение векторной метрики позволяет адаптировать систему с учетом различных видов сервиса.
2. Вместо выбора одного пути с минимальной метрикой, информационный поток может быть поделен между несколькими путями с метрикой, лежащей в заданном интервале. Распределение потоков определяется соотношением величин комбинированной метрики. Таким образом, используются маршруты с комбинированной метрикой меньше некоторого предельного значения M, а также с метрикой меньше V*M, где V - значение вариации M (обычно задается оператором сети).
3. Существуют определенные проблемы с вариацией. Трудно определить стратегию использования вариации V>1 и избежать зацикливания пакетов. В современных реализациях V=1.
4. Разработан ряд мер, препятствующих осцилляциям маршрутов при изменении топологии сети.

Значения вариации, отличное от единицы, позволяет использовать одновременно два или более путей с разной пропускной способностью. При дальнейшем увеличении вариации можно разрешить не только более "медленные" сегменты пути, но и ведущие в обратном направлении, что приведет с неизбежностью к "бесконечному" циклическому движению пакетов.

Протокол маршрутизации IGRP предназначен для работы с несколькими типами сервиса (TOS) и несколькими протоколами. Под типами сервиса в TCP/IP подразумевается оптимизация маршрутизации по пропускной способности, задержке, надежности и т.д. Для решения этой задачи можно использовать весовые коэффициента K1 и K2 (формула [1] данного раздела). При этом для каждого TOS подготавливается своя маршрутная таблица. Среди мер, обеспечивающих cтабильность топологии связей, следует отметить следующее правило, которое поясняется на приведенном ниже примере.

Маршрутизатор A сообщает B о маршруте к сети 1. Когда же B посылает сообщения об изменении маршрутов в A, он ни при каких обстоятельствах не должен упоминать сеть 1. Т.е. сообщения об изменении маршрута, направленные какому-то маршрутизатору, не должны содержать данных об объектах, непосредственно с ним связанных. Сообщения об изменении маршрутов должны содержать:

- адреса сетей, с которыми маршрутизатор связан непосредственно;
- пропускную способность каждой из сетей;
- топологическую задержку каждой из сетей;
- надежность передачи пакетов для каждой сети;
- загруженность канала для каждой сети;
- MTU для каждой сети.

Следует еще раз обратить ваше внимание, что в IGRP не используется измерение задержек, измеряется только надежность и коэффициент загрузки канала. Надежность определяется на основе сообщений интерфейсов о числе ошибок.

Существует 4 временные константы, управляющие процессом распространения маршрутной информации (эти константы определяются оператором сети):

- период широковещательных сообщений об изменении маршрутов (это время по умолчанию равно 90 сек);

- время существования - если за это время не поступило никаких сообщений о данном маршруте, он считается нерабочим. Это время в несколько раз больше периода сообщений об изменениях (по умолчанию в 3 раза).

- время удержания - когда какой-то адресат становится недостижим, он переходит в режим выдержки. В этом режиме никакие новые маршруты, ведущие к нему, не воспринимаются. Длительность этого режима и называется временем удержания. Обычно это время в три раза дольше периода сообщений об изменениях маршрутов.

- время удаления - если в течение данного времени не поступило сообщений о доступе к данному адресату, производится удаление записи о нем из маршрутной базы данных (по умолчанию это время в 7 раз больше периода сообщений об изменениях маршрутов).

IGRP-сообщение вкладывается в IP-пакет, это сообщение имеет следующие поля:

version номер версии протокола 4 байта

opcode код операции
edition код издания
asystem номер автономной системы
Ninterior, Nsystem, Nexterior числа субсетей в локальной сети, в автономной системе и вне автономной системы.
checksum контрольная сумма IGRP-заголовка и данных
Version - номер версии в настоящее время равен 1. Пакеты с другим номером версии игнорируются.

Opcode - код операции определяет тип сообщения и может принимать значения:

1 - изменение; 2 - запрос

Edition - (издание) является серийным номером, который увеличивается при каждом изменении маршрутной таблицы. Это позволяет маршрутизатору игнорировать информацию, которая уже содержится в его базе данных.

Asystem - номер автономной системы. Согласно нормам Сisco маршрутизатор может входить в более чем одну автономную систему. В каждой AS работает свой протокол и они могут иметь совершенно независимые таблицы маршрутизации. Хотя в IGRP допускается "утечка" маршрутной информации из одной автономной системы в другую, но это определяется не протоколом, а администратором.

Ninterior, nsystem и nexterior определяют числа записей в каждой из трех секций сообщения об изменениях.

Checksum - контрольная сумма заголовка и маршрутной информации, для вычисления которой используется тот же алгоритм, что и в UDP, TCP и ICMP.

IGRP запрос требует от адресата прислать свою маршрутную таблицу. Сообщение содержит только заголовок. Используются поля version, opcode и asystem, остальные поля обнуляются. IP-пакет, содержащий сообщение об изменении маршрутов, имеет 1500 байт (включая IP-заголовок). Для описанной выше схемы это позволяет включить в пакет до 104 записей. Если требуется больше записей, посылается несколько пакетов. Фрагментация пакетов не применяется.

Ниже приведено описание структуры для маршрута:

Субполе описание маршрута Number определяет IP-адрес места назначения, для экономии места здесь используется только 3 его байта. Если поле задержки содержит только единицы, место назначения недостижимо.

Пропускная способность измеряется в величинах, обратных бит/сек, умноженных на 10¹⁰. (Т.е., если пропускная способность равна N Кбит/с, то ее измерением в IGRP будет 10000000/N.). Надежность измеряется в долях от 255 (т.е. 255 соответствует 100%). Загрузка измеряется также в долях от 255, а задержка в десятках миллисекунд.

Ниже приведены значения по умолчанию для величин задержки и пропускной способности

Комбинированная метрика в действительности вычисляется по следующей формуле (для версии Cisco 8.0(3)):

Метрика = [K1*пропускная_способность + (K2*пропускная_способность)/(256 - загрузка) + K3*задержка] * [K5/(надежность + K4)].

Если K5 == 0, член надежности отбрасывается. По умолчанию в IGRP K1 == K3 == 1, K2 == K4 == K5 == 0, а загрузка лежит в интервале от 1 до 255.

В начале 90-х годов разработана новая версия протокола IGRP - EIGRP с улучшенным алгоритмом оптимизации маршрутов, сокращенным временем установления и масками субсетей переменной длины. EIGRP поддерживает многие протоколы сетевого уровня. Рассылка маршрутной информации здесь производится лишь при измении маршрутной ситуации. Протокол периодически рассылает соседним маршрутизаторам короткие сообщения Hello. Получение отклика означает, что сосед функционален и можно осуществлять обмен маршрутной информацией. Протокол EIGRP использует таблицы соседей (адрес и интерфейс), топологические таблицы (адрес места назначения и список соседей, объявляющих о доступности этого адреса), состояния и метки маршрутов. Для каждого протокольного модуля создается своя таблица соседей. Протоколом используется сообщения типа hello (мультикастная адресация), подтверждени (acknowledgent), актуализация (update), запрос (query; всегда мультикастный) и отклик (reply; посылается отправителю запроса). Маршруты здесь делятся на внутренние и внешние - полученные от других протоколов или записанные в статических таблицах. Маршруты помечаются идентификаторами их начала. Внешние маршруты помечаются следующей информацией:

• Идентификатор маршрутизатора EIGRP, который осуществляет рассылку информации о маршруте
• Номер AS, где расположен адресат маршрута
• Метка администратора
• Идентификатор протокола
• Метрика внешнего маршрута
• Битовые флаги маршрута по умолчанию

Протокол EIGRP полностью совместим с IGRP, он обеспечивает работу в сетях IP, Apple Talk и Novell.