Илл. 5.38. Туннелирование пакета из Парижа в Лондон
Для решения этой проблемы используется туннелирование (tunneling). Чтобы передать IP-пакет хосту в Лондоне, хост в Париже формирует пакет, содержащий лондонский IPv6-адрес, и отправляет его на многопротокольный маршрутизатор, соединяющий парижскую сеть IPv6 и сеть IPv4. Получив пакет IPv6, маршрутизатор помещает его в другой пакет с IPv4-адресом маршрутизатора, соединяющего сеть IPv4 и лондонскую сеть IPv6. Когда пакет попадает на этот адрес, лондонский многопротокольный маршрутизатор извлекает исходный IPv6-пакет и передает его дальше на хост назначения.
Путь через сеть IPv4 можно рассматривать как большой туннель, идущий от одного многопротокольного маршрутизатора до другого. IPv6-пакет просто перемещается от одного конца туннеля до другого в удобной «коробке». Ему не нужно беспокоиться о взаимодействии с сетью IPv4. Это также касается хостов Парижа и Лондона. Переупаковкой пакета и переадресацией занимаются многопротокольные маршрутизаторы. Для этого им нужно уметь разбираться в IPv6- и IPv4-пакетах. В результате весь путь от одного многопротокольного маршрутизатора до другого работает как один транзитный участок.
Чтобы сделать этот пример еще проще и понятнее, рассмотрим аналогию. Представьте водителя автомобиля, направляющегося из Парижа в Лондон. По дорогам Франции автомобиль едет самостоятельно. Но достигнув Ла-Манша, он загружается в высокоскоростной поезд и транспортируется под проливом по туннелю (автомобилям запрещено ездить по этому туннелю). Фактически автомобиль перевозится как груз (илл. 5.39). Прибыв в Великобританию, он спускается с железнодорожной платформы на английское шоссе и снова продолжает путь своим ходом. Точно такой же принцип применяется при туннелировании пакетов, проходящих через чужеродную сеть.
Туннелирование широко используется для соединения изолированных хостов и сетей посредством других сетей. В результате появляется новая сеть, которая, по сути, накладывается на старую. Она называется оверлейной сетью (overlay). Использование сетевого протокола с новым свойством (как в нашем примере, где сети IPv6 соединяются через IPv4) — достаточно распространенная причина применения этого метода. Недостатком туннелирования является то, что пакет невозможно доставить на хосты сети-посредника. Однако это становится преимуществом в сетях VPN. Это обычная оверлейная сеть, использующаяся в качестве меры безопасности. Более подробно о VPN мы поговорим в главе 8.
Илл. 5.39. Туннелирование автомобиля из Парижа в Лондон
5.5.5. Межсетевая маршрутизация
Маршрутизация в интерсетях сопровождается теми же основными проблемами, что и в одной сети, но с некоторыми дополнительными сложностями. Рассмотрим две сети с разными алгоритмами маршрутизации: с учетом состояния линий и по вектору расстояний. В первом случае алгоритму требуется информация о топологии сети, во втором — нет, поэтому неясно, как вычислять кратчайшие пути в такой интерсети.
Более серьезные проблемы возникают, если работу сети обеспечивают разные операторы. Прежде всего, они могут по-разному представлять себе, что такое хороший маршрут: одни обращают больше внимания на время задержки, другие — на затраты. В результате стоимость пути указывается в разных единицах: в миллисекундах задержки или денежных единицах. Из-за невозможности сопоставления весовых коэффициентов вычисление кратчайших путей становится затруднительным.
Более того, провайдер может не предоставлять другим операторам доступ к данным о весах и маршрутах в своей сети. В них может быть информация, составляющая коммерческую тайну (например, стоимость).
Наконец, интерсеть может быть гораздо больше, чем любая из ее составляющих. В такой ситуации требуются алгоритмы маршрутизации, масштабируемые с учетом иерархии, даже если в отдельных сетях такой необходимости нет.
Следовательно, нам необходим двухуровневый алгоритм маршрутизации. В пределах каждой сети для маршрутизации используется внутридоменный (intradomain), или внутренний, шлюзовый протокол (термин «шлюз» ранее обозначал «маршрутизатор»). Это может быть обычный протокол, учитывающий состояние линий. Между сетями применяется междоменный (interdomain), или внешний, шлюзовый протокол. Сети могут использовать разные внутридоменные протоколы, но междоменный протокол должен быть общим. В интернете используется междоменный протокол пограничной маршрутизации (Border Gateway Protocol, BGP). Мы подробно обсудим его в разделе 5.7.7.
Здесь следует рассказать еще об одном важном понятии. Так как все сети управляются независимо, их часто называют автономными системами (АС). Хорошая умозрительная модель АС — сеть интернет-провайдера. На практике она может состоять из нескольких АС, если они управляются независимо. Но разница не слишком существенна.
Два уровня маршрутизации не являются в строгом смысле иерархическими. Если крупную международную сеть объединить с небольшой региональной сетью, пути могут быть близкими к оптимальным. Но для вычисления маршрутов в интерсети отдельные сети предоставляют сравнительно мало информации о своих путях. Это позволяет преодолеть сложности. В результате улучшается масштабирование сети, а операторы свободны в выборе протоколов маршрутизации внутри своих сетей. Кроме того, не требуется сравнивать веса различных сетей и раскрывать секретную внутреннюю информацию.
До сих пор мы практически ничего не рассказали о том, как вычисляются маршруты в интерсети. В интернете ключевым фактором являются коммерческие договоренности между провайдерами. Каждый из них может взимать с других провайдеров плату за передачу трафика. Еще одна особенность — если при межсетевой маршрутизации пересекаются границы государств, в игру могут вступить их законы. Так, в Швеции персональные данные граждан находятся под строжайшей защитой. Все эти внешние предпосылки объединяются в понятие политики маршрутизации (routing policy), в соответствии с которой автономные сети выбирают пути. К этому понятию мы еще вернемся, когда будем говорить о BGP.
5.5.6. Поддержка различных размеров пакета: фрагментация пакета
Все сети и каналы накладывают на размер своих пакетов ограничения, обусловленные разными факторами:
1. Аппаратное обеспечение (например, размер фрейма Ethernet).
2. Операционная система (например, все буферы имеют размер 512 байт).
3. Протоколы (например, количество битов в поле длины пакета).
4. Соответствие какому-либо международному или национальному стандарту.
5. Желание снизить количество пакетов, отправляемых повторно из-за ошибок передачи.
6. Желание предотвратить ситуацию, когда один пакет слишком долгое время занимает канал.
С учетом всех этих факторов разработчики не могут выбирать максимальный размер пакета по своему усмотрению. Максимальный размер поля полезной нагрузки составляет 1500 байт для сети Ethernet и 2272 байта для 802.11. Протокол IP более щедр: размер пакета может достигать 65 515 байт.
Обычно хосты стараются отправлять крупные пакеты, так как это уменьшает издержки — например, позволяет сэкономить на заголовках. Очевидно, возникает проблема, когда большой пакет должен пройти по сети с недостаточным максимальным размером пакетов. Эта проблема была актуальна долгое время, а ее решения разрабатывались во многом на основании опыта использования интернета.
Одно из решений проблемы состоит в ее предотвращении. Но сделать это непросто. Обычно отправитель не знает, по какому пути будут передаваться данные, а значит, ему неизвестно, какого размера должен быть пакет, чтобы добраться до места назначения. Такой размер пакета называется путевым значением MTU (Path Maximum Transmission Unit — максимальный размер пакета для выбранного пути). Неважно, знает ли отправитель путевое значение MTU. В сети, не требующей соединения (например, в интернете), маршруты в любом случае выбираются независимо. Это означает, что путь может неожиданно измениться, а тогда изменится и путевое значение MTU.