Introduzione alle reti 4 - Router tecnologies

Si è già visto che un router instrada pacchetti sulla base delle rotte presenti all'interno della propria routing table. Si è anche detto che è possibile adottare due strategie (non necessariamente mutuamente esclusive) per gestire la routing table di un router: definire manualmente delle rotte statiche, o lasciare che appositi protocolli assolvano a questo compito in modo automatico. Avendo già affrontato il tema delle rotte statiche, ci si concentrerà in questa parte sulle rotte dinamiche e sui protocolli in grado di generarle.

Il Routing Dinamico

I compiti fondamentali di un protocollo di routing rispondono a due parole chiave:

• Path Determination: far cooperare più router al fine di stabilire quali siano i possibili cammini sulla rete per condurre un pacchetto a destinazione 

• Best Path: fra i percorsi possibili, decidere quale sia quello migliore per ciascun pacchetto

Classificazione dei protocolli di routing

Esistono diversi protocolli di routing, e la loro classificazione viene generalmente definita in base ai seguenti criteri:

• Protocolli IGP e EGP: i protocolli di tipo IGP (Interior Gateway Protocol) sono propri dei domini chiusi. La situazione tipica potrebbe essere quella di una grande organizzazione che intenda far cooperare i propri router, dislocati in tutto il mondo sulla rete Internet, al fine di collegare fra loro le reti delle differenti sedi aziendali. Senza scendere per ora nei particolari, all'organizzazione verrà assegnato un codice identificativo, l'AS (Autonomous System), che renderà riconoscibili al protocollo IGP i router dell'organizzazione stessa. I protocolli di tipo EGP (External Gateway Protocol) nascono, invece, con l'obiettivo di mettere in comunicazione domini IGP differenti.

• All'interno della famiglia di protocolli IGP è poi possibile distinguere ulteriormente fra protocolli di tipo Distance Vector e di tipo Link State.
  I protocolli di tipo Distance Vector si caratterizzano per via del fatto che ogni router coinvolto nel calcolo di un percorso conosce esclusivamente la direzione e la distanza verso la rete di destinazione del pacchetto in esame. La distanza è un parametro calcolato secondo metriche che possono cambiare a seconda del protocollo in uso. Possibili metriche sono: numero di router (o salti o hop) che dividono il pacchetto dalla sua rete di destinazione, la larghezza di banda disponibile sul cammino da percorrere, il ritardo introdotto dall'attraversamento dei router, la congestione e l'affidabilità dei canali, etc. I protocolli di tipo Distance Vector prevedono, peraltro, continui aggiornamenti sulla topologia della rete: ogni router, ad intervalli regolari, trasmette ai propri vicini update sulla propria condizione (reti direttamente connesse o raggiungibili, mutata topologia, guasti, etc.).
  Nei protocolli di tipo Link State, invece, ogni router ha una visione pressoché completa della topologia della rete. Sulla base di questa, e adottando metriche che possono variare a seconda dell'algoritmo in uso, il singolo router decide il miglior percorso sul quale instradare il pacchetto in esame. Inoltre, a differenza di quanto accade per i protocolli di tipo Distance Vector, nei protocolli Link State gli aggiornamenti sono previsti solo in occasione di cambi di topologia nella rete. Questo evidentemente si riflette in ridotti tempi di convergenza, anche se al costo di una diminuita affidabilità.

• Un'ulteriore classificazione dei protocolli di routing riguarda la loro compatibilità o incompatibilità con indirizzi IP di tipo class-less, ovvero indirizzi logici che, per effetto del VLSM, presentano subnet mask con numero di bit variabile.

Di seguito uno schema riassuntivo dei principali protocolli di routing e della loro classificazione:

	Interior Gateway Protocols			Exterior Gateway Pr.
	Distance Vector Protocols		Link State Protocols
Class-full	RIP	IGRP		EGP
Class-less	RIPv2	EIGRP	OSPFv2	BGPv4

La distanza amministrativa, le metriche ed il costo

Dal momento che in una tabella di routing possono coesistere rotte statiche, rotte dinamiche e rotte implicitamente definite delle reti direttamente connesse al router, di per sè, nulla impedirebbe sovrapposizioni di informazione. 

Al fine di prevenire situazioni di tal genere, è stato quindi introdotta la AD (Administrative Distance o Distanza Amministrativa). La Distanza Amministrativa è un valore, prestabilito convenzionalmente sulla base di specifiche considerazioni, che, all'interno di una routing table, indica per ogni rotta il protocollo che la ha generata e ne definisce implicitamente il grado di affidabilità. 

Avviene così, ad esempio, che la Distanza Amministrativa di una rete direttamente connessa ad una porta del router sia pari a 0, quindi prioritaria rispetto ad una qualunque rotta statica la cui AD è per convenzione pari ad 1. Le rotte statiche sono, a loro volta, prioritarie rispetto a qualunque rotta dinamica. La priorità delle rotte dinamiche è difatti sempre superiore ad 1, come dimostrato dal seguente schema che ne riepiloga i valori.         

All'interno di una tabella di routing, la Distanza Amministrativa è sempre associata ad un Costo. Il Costo esprime la "distanza" dalla rete di destinazione, misurata secondo la Metrica adottata dal protocollo. 

Di seguito, una rotta come la si potrebbe leggere all'interno di una tabella di routing: 

R  192.168.30.32 [120/1] via 192.168.30.49, 00:00:09, Serial0/0/1 

il protocollo in uso è il RIP (indicato con "R"); la rete di destinazione è la 192.168.30.32 (non viene indicata la subnet-mask dal momento che RIP è un protocollo di tipo classful); viene specificata la Distanza Amministrativa del protocollo (RIP ha AD convenzionalmente pari a 120); il costo della rotta è pari ad 1 (misurato qui in HOP, dato che RIP utilizza come metrica i "salti", ovvero il numero di router che ci dividono dalla rete di destinazione); vengono infine specificate la porta del router e la rete (192.168.30.40) attraverso cui il pacchetto deve essere instradato per raggiungere la rete 192.168.30.32.

Da notare che, nel caso in cui i cammini possibili per una certa destinazione sono più di uno, il router predilige quello con distanza amministrativa minore e, a parità di distanza amministrativa, quello con costo inferiore. Qualora, infine, distanza e costo coincidano, tutte le rotte verranno impiegate in modalità load balancing. 

L'istruzione

#show ip protocol

fornisce informazioni di dettaglio sul protocollo di routing in uso

Protocolli Distance Vector

Come detto, i protocolli di tipo Distance Vector sono protocolli di tipo Interior Gateway, ovvero relativi   un Autonomus System. 

Si è anche detto che, la peculiarità dei protocolli Distance Vector risiede nel "distribuire" il calcolo del routing su tutti i router disponibili. In altri termini, ciascun router conosce esclusivamente la direzione verso cui instradare il generico pacchetto in transito presso di sè, e la distanza che separa lo stesso pacchetto dalla rete di destinazione. 

Il modus operandi dei protocolli Distance Vector è così riassumibile:

• Inizialmente, ciascun router "acquisisce consapevolezza" delle reti a sé direttamente connesse e, sulla base di queste sole informazioni, crea la propria routing table.

• Completata la precedente operazione - e d'ora in avanti con cadenza regolare - il router spedisce, confezionata all'interno di pacchetti di aggiornamento, l'intera propria routing table ai router suoi vicini (quelli a lui direttamente connessi).

• Ogni qual volta un router riceve pacchetti di aggiornamento del tipo detto, ne esamina il contenuto, aggiorna di conseguenza la propria routing table, ed immediatamente trasmette ai suoi vicini il nuovo aggiornamento.  

In simile politica, a convergenza raggiunta, consentirà ad ogni router di conoscere tutte le possibili destinazioni presenti nell'AS e, per ciascuna di queste, di dire qual è il prossimo router verso cui indirizzare i pacchetti in transito. 

Peraltro, questo continuo riflusso di informazione permetterà ad ogni router di venir automaticamente informato di qualsiasi eventuale variazione nella topologia della rete.

D'altra parte, un simile meccanismo comporta almeno due problemi: un elevato volume di traffico ed il rischio di looping.  

Di seguito una breve descrizione dei principali protocolli di tipo Distance Vector e del modo di affrontare simili problematiche. 


Il protocollo RIP (Routing Information Protocol)   

Il RIP, storicamente il primo fra i protocolli di tipo Distance Vector, è attualmente presente in due versioni (v1 e v2), e trova applicazione soprattutto in reti di piccole e medie dimensioni. 

Il suo funzionamento è esattamente quello descritto precedentemente: la metrica adottata è l'hop count, ovvero il numero di router che separano il pacchetto dalla propria rete di destinazione, e gli aggiornamenti (l'invio della routing table) fra router vicini avvengono con cadenza di 30 secondi.

Come misura per contenere il traffico indotto dai ripetuti aggiornamenti, RIP prevede la possibilità di impedire l'invio di pacchetti di aggiornamento su specifiche porte del router. Si tratta tipicamente delle porte Ethernet del router alle quali sono connesse le reti locali (lo strato di distribuzione, composto principalmente di switch).

Al fine di prevenire fenomeni di looping, il protocollo RIP adotta invece le seguenti strategie:

• l'hop count massimo viene fissato a 15 salti: dopo il 15 salto il pacchetto viene scartato (motivo questo che limita l'uso di RIP a reti di piccole o medie dimensioni).

• viene implementato l'algoritmo Split Horizon: il router che riceve informazioni su una certa destinazione da un router adiacente, non può reinviare a quest'ultimo altre informazioni riguardanti la medesima destinazione. Una variante di Split Horozon è offerta dall'algoritmo Poison Reverse: le informazioni possono essere reinviate al primo router, ma per la stessa destinazione viene dichiarata una distanza infinita, quindi irraggiungibile.   

• i router implementano l'Hold Down: se una rotta viene rimossa dalla routing table di un router (ad es. a causa di guasti sul collegamento), il router non potrà accettare alcun update sulla stessa rotta per un tempo prestabilito. Tale intervallo è stimato essere quello utile perché tutta la rete venga aggiornata sul link down. 

• al fine di accelerare i tempi di convergenza, i router con protocollo RIP utilizzano i Triggered Updates, ovvero aggiornamenti che vengono inviati istantaneamente ai router adiacenti non appena viene avvertito un cambio di topologia nelle reti direttamente connesse.

Un altro aspetto di rilievo riguarda gli indirizzi IP: RIP nasce (ver. 1) difatti come protocollo di tipo class-full (tanto che i pacchetti di aggiornamento, scambiati fra i diversi router coinvolti nel calcolo delle rotte, non prevedono al proprio interno un campo per la net-mask). Solo nella versione 2 di RIP è prevista - specificandola! - la possibilità di usare VLSM. 

La Distanza Amministrativa assegnata a RIP è 120.

Di seguito le istruzioni utili alla configurazione del protocollo RIP:

(config)#router rip Imposta la gestione automatica delle rotte attraverso il protocollo RIP (config-router)#version <n> Imposta il numero di versione del protocollo RIP: ove non specificato, viene assunto RIP ver. 1 (config-router)#network <network address> Specifica una rete coinvolta nel calcolo delle rotte; l'istruzione deve essere replicata per tutte le reti direttamente connesse al router. (config-router)#no auto-summary Valido solo per RIP v2. Impedisce a RIP di operare automaticamente la sommarizzazione delle rotte, quindi di adottare per le stesse delle major network di tipo classful. Di conseguenza, consente l'uso del VLSM e di indirizzi di rete classless. (config-router)#passive-interface <interface-id> Al fine di contenere il traffico di rete, impedisce all'interfaccia specificata di inviare pacchetti di aggiornamento RIP ai router vicini. Il comando viene usato di norma per le porte Ethernet, quando non collegate ad altri router. (config-router)#redistribute static Propaga ai router vicini l'informazione della presenza qui di eventuali rotte statiche. (config-router)#default-information originate Propaga ai router vicini l'informazione della presenza qui di un'eventuale rotta statica di default.

Ancora un esempio di configurazione RIP: il router R0 di figura, al quale sono direttamente connesse le reti 192.168.10.64/30, 192.168.10.0/28 e 192.168.10.16/28,  viene configurato con RIP v.2, supporto al VLSM ed inibizione delle interfacce FastEthernet.    

R1(config)#router rip
R1(config-router)#version 2
R1(config-router)#no auto-summary 

R1(config-router)#network 192.168.10.0
R1(config-router)#network 192.168.10.16
R1(config-router)#network 192.168.10.64
R1(config-router)#passive-interface fa0/0
R1(config-router)#passive-interface fa0/1

EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)   

EIGRP - evoluzione dell'originario IGRP - nasceva nel 1993 come protocollo di routing proprietario Cisco per Autonomus Systems. Dal 2013 IGRP è divenuto un protocollo open, quindi implementabile su router di qualunque produttore. 

Tecnicamente IGRP viene considerato un protocollo di tipo Distance Vector, ma, nei fatti, è un protocollo ibrido, che, cioè, fa proprie alcune delle caratteristiche dei protocolli Link State.  

Ad EIGRP è stata assegnata una distanza amministrativa pari a 90 ed una combinazione di differenti metriche per il calcolo del costo delle rotte:

• Bandwidth: larghezza di banda stimata (in Kb/s) lungo il cammino dal router verso la rete di destinazione

• Load: indice, compreso fa 1 e 255, della saturazione stimata lungo il cammino dal router verso la rete di destinazione

• Delay: ritardo stimato lungo il cammino dal router verso la rete di destinazione

• Reliability: indice compreso fra 1 e 255 dell'affidabilità stimata

• MTU: Minimum Path Maximum Transmission Unit, di fatto non utilizzato nel conteggio della metrica

• Hop Count: numero di router che un pacchetto deve attraversare per raggiungere la rete di destinazione. Da notare che, nonostante IGRP mantenga aggiornato un Hop Count per ogni rotta, di fatto questo non viene utilizzato propriamente ai fini del conteggio della metrica. Viceversa, viene stabilito a priori un Hop Count massimo (di default 100, ma può essere impostato diversamente) e le rete che risultano a distanza superiore all'Hop Count Massimo vengono ritenute irraggiungibili.   

Il funzionamento di EIGRP è leggermente più complesso di quello del protocollo RIP. Difatti, ciascun router in EIGRP, oltre alla routing table, gestisce altre due tabelle:

• la Neighbors Table (o tabella dei vicini): contiene gli indirizzi IP di tutti i router direttamente collegati al router in esame.

• la Topology Table (o tabella della topologia): analogamente alla routing table, contiene rotte e relativi costi dei router EIGRP vicini.

Compito della Topolgy Table è, in particolare, quello di collezionare, per ciascuna destinazione EIGRP nell'AS, delle rotte di riserva: i Feasible Successors (router possibili successori). Le rotte della Topology Table vengono determinate a partire dal contenuto della Neighbors Table. Il router, difatti, 

• ricava dai propri vicini l'elenco di tutte le destinazioni EIGRP note (presenti nella routing table dei router vicini). 

• attraverso la Neighbors Table crea all'interno della propria Topology Table le possibili rotte alternative, ordinandole secondo destinazione e costo e badando di non introdurre loop (a tal fine viene utilizzato l'algorimo Diffusing Update Algorithm, o DUAL che garantisce l'operatività senza la creazioni di anelli di routing). 

Un simile meccanismo garantisce che, qualora dovesse verificarsi un problema o un cambio di topologia, EIGRP sarà in grado di ripristinare istantaneamente la situazione semplicemente rimpiazzando nella tabella di routing di ciascun router le rotte non più valide con le prime disponibili nelle Topology Table.     

Per implementare il meccanismo appena descritto, i router EIGRP comunicano scambiando fra vicini pacchetti di differente natura:

• Hello Packet: sono pacchetti esplorativi che ogni router EIGRP invia ai propri vicini con cadenza regolare (di norma 5 sec.). Attraverso gli Hello Packet, i router EIGRP costruiscono le proprie Neighbor Table e avvertono la rete di eventuali mutamenti di topologia (un router che non invia pacchetti per un prestabilito periodo di tempo viene dichiarato dai propri vicini non più disponibile; il meccanismo è noto anche come "keep alive"). Gli Hello Packet vengono ritenuti non sicuri, dal momento che non prevedono una risposta da parte del ricevente, ma la cosa non è così rilevante, dato il carattere intensivo della trasmissione.

• Update Packet (con conseguente Acknowledgment): sono invece pacchetti di aggiornamento che i router IGRP inviano solo quando necessario e solo ai destinatari interessati dall'aggiornamento stesso. Tramite gli Update Packet, ad esempio, un router EIGRP può tenere aggiornata la propria Toplogy Table, o avvertire i propri vicini - di conseguenza l'intera rete - di un mutamento di topologia. 

• Query Packet (con Acknowledgment): vengono utilizzati dall'algoritmo DUAL per la ricerca delle reti in caso di perdita di connettività.   

Ulteriore caratteristica di EIGRP è il particolare protocollo utilizzato per la trasmissione dei suddetti pacchetti: RTP (Reliable Tranfert Protocol) in luogo dei tradizionali TCP e UDP.

Di seguito i principali comandi relativi alla configurazione EIGRP:

(config)#router eigrp <AS> Imposta EIGRP come protocollo di routing e specifica l'Autonomus System al quale EIGRP deve riferirsi (config-router)#network <network address> [<wilcard-mask>] Specifica una rete (specificare la wilcard-maskin caso di indirizzi classless ) coinvolta nel routing. Specificare tutte le reti direttamente connesse al router. (config-router)#no-autosummary Impedisce a EIGRP di operare automaticamente la sommarizzazione delle rotte, quindi di adottare per le stesse delle major network di tipo classful. Di conseguenza, consente l'uso del VLSM e di indirizzi di rete classless. (config-router)#passive-interface <interface-id> Al fine di contenere il traffico di rete, impedisce all'interfaccia specificata di inviare pacchetti di aggiornamento EIGRP ai router vicini. Il comando viene usato di norma per le porte Ethernet, quando non collegate ad altri router. (config-router)#redistribute static Propaga ai router EIGRP dell'AS l'informazione della presenza di eventuali rotte statiche (non è previsto un comando specifico per la rotta di default) #show ip eiprg neighbors Mostra il contenuto della Neighbors Table #show ip eigrp topology Mostra il contenuto della Topology Table #show ip eigrp interfaces Fornisce informazioni sullo stato delle interfacce del router in relazione ad EIGRP

Di seguito, a titolo di esempio, la configurazione EIGRP del router R0 della figura precedente (si assume Autonomus System pari ad 1):

R1(config)#router eigrp 1
R1(config-router)#no auto-summary 

R1(config-router)#network 192.168.10.0  0.0.0.15

R1(config-router)#network 192.168.10.16  0.0.0.15

R1(config-router)#network 192.168.10.64  0.0.0.3

Protocolli Link-State

Come già discusso, la principale novità introdotta dai protocolli di tipo Link-State risiede nella conoscenza, da parte di tutti i router coinvolti, dell'intera topologia della rete. 

Questo è reso possibile dal funzionamento alla base di tutti i protocolli Link_State:

• Inizialmente, ciascun router acquisisce consapevolezza dello stato dei collegamenti sulle  proprie porte:

• indirizzo IP e subnet mask delle interfacce
• tipo di rete collegata (ethernet o seriale, etc)
• costo del link
• router direttamente connessi

• Appena terminata la fase precedente, ciascun router esplora l'ambiente attorno  a sé, inviando Hello Packet in modalità broadcast: se riceve risposta, fra i router vicini si instaura un'adiacenza. Esattamente come nel caso di EIGRP, lo scambio di pacchetti Hello continuerà con cadenza regolare, assolvendo alla funzione "keep alive", ovvero di verifica della modifica della topologia circostante.

• Completata l'esplorazione circostante, ciascun router costruisce un pacchetto Link-State (LSP o Link-State Packet). Il LSP contiene tutte le informazioni topologicamente rilevanti sul diretto intorno del router stesso: router ID, tipi di collegamento, larghezza di banda, etc.

• Ciascun router invia quindi il proprio LSP ai vicini.

• Quando un router riceve un LSP da un proprio vicino, ne trascrive il contenuto all'interno di un proprio Link-State Database e lo passa agli altri vicini. Un simile meccanismo genera un fenomeno di flooding (letteralmente inondamento) che porta ogni router OSPF ad avere il LSP di tutti gli altri router. Al termine del flooding, pertanto, ciascun  router conoscerà, nel proprio Link-State Database, la posizione e le caratteristiche di tutti gli altri router, ovvero l'intera topologia della rete.

• A convergenza raggiunta, ciascun router potrà allora utilizzare il Link-State DB per calcolare l'albero dei cammini minimi secondo il celebre algoritmo di Dijstra, ovvero il percorso migliore verso tutti gli altri router della rete. Sulla base di tale calcolo, i router compilano la propria routing table. 

• Eventuali variazioni della topologia della rete, non appena avvertite, si rifletteranno nell'invio di pacchetti di aggiornamento dei singoli Link-State DB, quindi delle routing table.     

OSPF (Open Short Path First Protocol)   

OSPF è il principale rappresentante dei protocolli di tipo Link-State (e di tipo Interior Gateway Protocol, dal momento che opera all'interno di uno stesso Autonomus System).

Caratteristiche di OSPF sono la distanza amministrativa pari a 110, e la larghezza di banda come costo (Cost = 108 / Bandwidth).

Il funzionamento di OSPF è esattamente quello appena descritto. Tuttavia, quel che risulta originale in OSPF è la modalità di trasmissione dei pacchetti di aggiornamento a seguito di un cambio di topologia. 

In OSPF, difatti, al fine di ridurre il traffico di rete che potrebbe ingenerarsi da un continuo flooding, vengono "eletti" (secondo il criterio del massimo Router-ID) un Designated Router (DR) ed un suo vice: il Backup Designated Router. Compito del Designated Router (in caso di problemi, del BDR) è quello di ricevere gli aggiornamenti da parte dei singoli router della rete ed inoltrarli a tutti gli altri router OSPF.

Ulteriore caratteristica di OSPF è quello di suddividere l'Autonomus System in più aree logiche. La suddivisione in aree distinte consente di far sì che, qualora si verifichi un cambiamento nella topologia di rete, solo i router all’interno della stessa area (quelli, cioè, presumibilmente interessati) ricevano i relativi Link State Advertisement. Più in dettaglio, OSPF implementa un modello di routing gerarchico a due livelli che prevede uno strato core (o backbone) che prende il nome di Area Zero e delle aree di livello secondario (di valore compreso nell'intervallo 0-4294967295 e con massimo numero di router pari a 50 ) connesse alla dorsale precedente, tramite router di confine dell'area (ABR - Area Border Router). L'approccio gerarchico consente: 

• una rapida convergenza in occasione di guasti o interruzioni 

• ripristino del normale traffico 

• riduzione del carico dei router 

A seguire, i principali comandi per la configurazione di un router con protocollo OSPF:

(config)#router ospf <process-ID> Imposta la gestione automatica delle rotte tramite OSPF (process-ID ha valore locale e non viene trasmesso all'esterno) (config-router)# network <net-addr> <wilcard-mask> area <area> Dichiara una rete interessata dal routing e l'area, Specificare tutte le reti connesse al router. (config-router)#passive-interface <interface-id> Al fine di contenere il traffico di rete, impedisce all'interfaccia specificata di inviare pacchetti di aggiornamento OSPF ai router vicini. Il comando viene usato di norma per le porte Ethernet, quando non collegate ad altri router. (config-router)#router-id <ip-address> Imposta il Router ID (config-router)#redistribute static Propaga ai router vicini l'informazione della presenza di eventuali rotte statiche. Attenzione: solo le rotte classful verranno propagate. (config)#default-information originate Propaga ai router vicini l'informazione della presenza qui di un'eventuale rotta statica di default #show ip ospf Fornisce informazioni sul processo OSPF #show ip ospf neighbor Fornisce informazioni di dettaglio sulle adiacenze #show ip ospf database Mostra il contenuto del Link-State DB #show ip ospf interface Fornisce informazioni di dettaglio sullo stato delle interfacce del router in relazione a OSPF

E, ancora una volta, la configurazione OSPF del router di figura (si assume process-id pari a 100 e area 0) 

R1(config)#router ospf 100
R1(config-router)#network 192.168.10.0  0.0.0.15  area 0

R1(config-router)#network 192.168.10.16  0.0.0.15  area 0

R1(config-router)#network 192.168.10.64  0.0.0.3  area 0