UNIX: разработка сетевых приложений — страница 36 из 42

Виртуальные сети

Б.1. Введение

Поддержка новых возможностей протокола TCP, например каналов с повышенной пропускной способностью (RFC 1323), требуется только на узле, использующем TCP, тогда как маршрутизаторы в модернизации не нуждаются. Эти изменения, описанные в RFC 1323, постепенно проявляются в реализациях TCP на узлах. Когда устанавливается новое TCP-соединение, каждая сторона может определить, поддерживает ли другая сторона новую возможность, и если для обоих узлов это так, ею можно воспользоваться.

Иная ситуация с изменениями IP-уровня, такими как многоадресная передача, появившаяся в конце 80-х, или новая версия протокола IPv6, возникшая в середине 90-х, поскольку они требуют изменений на всех узлах и на всех маршрутизаторах. Но люди хотят начать использовать новые возможности, не дожидаясь, когда все системы будут модернизированы. Для этого существующий протокол IPv4 был дополнен так называемыми виртуальными сетями (virtual network), использующими туннели (tunnels).

Б.2. MBone

Наш первый пример виртуальной сети, построенной с использованием туннелей, — это сеть MBone, которая начала использоваться примерно с 1992 года [29]. Если два или более узла в локальной сети поддерживают многоадресную передачу, то на всех этих узлах могут быть запущены приложения многоадресной передачи, которые могут общаться друг с другом. Для соединения одной локальной сети с другой локальной сетью, также содержащей узлы с возможностью многоадресной передачи, между двумя узлами из этих сетей конфигурируется туннель, как показано на рис. Б.1. На этом рисунке отмечены следующие шаги:

Рис. Б.1. Упаковка IPv4 в IPv4, применяемая в MBone

1. Приложение на узле отправителя MH1 посылает групповую дейтаграмму адресам класса D.

2. На рисунке эта дейтаграмма показана как UDP-дейтаграмма, поскольку большинство приложений многоадресной передачи используют протокол UDP. Более подробно о многоадресной передаче и о том, как посылать и получать многоадресные дейтаграммы, рассказано в главе 21.

3. Дейтаграмма принимается всеми узлами в локальной сети, поддерживающими многоадресную передачу, в том числе и MR2. Отметим, что MR2 также работает как многоадресный маршрутизатор, на котором запущена программа mrouted, осуществляющая маршрутизацию многоадресной передачи.

4. MR2 добавляет перед дейтаграммой другой IPv4-заголовок, в котором в поле адреса получателя записан индивидуальный адрес конечного узла туннеля (tunnel endpoint) MR. Этот индивидуальный адрес конфигурируется администратором узла MR2 и считывается программой mrouted при ее запуске. Аналогичным образом индивидуальный адрес узла MR2 сконфигурирован на узле MR — на другом конце туннеля. В поле протокола нового IPv4-заголовка установлено значение 4, соответствующее упаковке IPv4 в IPv4. Дейтаграмма посылается следующему маршрутизатору, UR3, который явно указан как маршрутизатор направленной передачи, то есть не поддерживает многоадресную передачу, и поэтому приходится использовать туннель. Выделенная на рисунке серым цветом часть IPv4-дейтаграммы не изменяется по сравнению шагом 1, только значение поля TTL в выделенном цветом IPv4-заголовке уменьшается на 1.

5. UR3 узнает адрес получателя из самого внешнего IPv4-заголовка и перенаправляет дейтаграмму следующему маршрутизатору направленной передачи — UR4.

6. UR4 доставляет дейтаграмму по назначению — узлу MR, который является конечным узлом туннеля.

7. MR получает дейтаграмму, и поскольку в поле протокола указана упаковка IPv4 в IPv4, удаляет внешний IPv4-заголовок и передает оставшуюся часть дейтаграммы (копию той, которая была групповой дейтаграммой в локальной сети, изображенной на рисунке вверху) в качестве многоадресной дейтаграммы в своей локальной сети.

8. Все узлы сети, изображенной на рисунке внизу, поддерживающие многоадресную передачу, получают многоадресную дейтаграмму.

В результате многоадресная дейтаграмма, отправленная в локальной сети, изображенной вверху, передается как многоадресная дейтаграмма в локальной сети, изображенной внизу. Это происходит несмотря на то, что два маршрутизатора, присоединенные к этим двум локальным сетям, а также все маршрутизаторы между ними не поддерживают многоадресную передачу.

В данном примере показана функция маршрутизации многоадресной передачи, осуществляемая программой mrouted, запущенной на одном из узлов в каждой из локальных сетей. Таким образом начинала свою работу сеть MBone. Но, начиная примерно с 1996 г. большинство основных поставщиков маршрутизаторов стали включать функцию групповой маршрутизации в свои маршрутизаторы. Если бы два маршрутизатора направленной передачи UR3 и UR4 на рис. Б.1 имели возможность маршрутизации многоадресной передачи, то нам не пришлось бы запускать mrouted, а маршрутизаторы UR3 и UR4 работали бы как маршрутизаторы многоадресной передачи. Но если между UR3 и UR4 существуют другие маршрутизаторы, не поддерживающие многоадресную передачу, туннель все же необходим. Однако конечными пунктами туннеля в этом случае могут стать MR3 (новое имя для UR3, поддерживающего многоадресную передачу) и MR4 (новое имя для UR4, поддерживающего многоадресную передачу), а не MR2 и MR.

ПРИМЕЧАНИЕ

В сценарии, приведенном на рис. Б.1, каждый многоадресный пакет появляется дважды в локальной сети, расположенной вверху рисунка, и дважды в локальной сети, расположенной внизу. Один раз это многоадресный пакет, а второй раз — направленный пакет внутри туннеля, так как пакет идет между узлом, на котором запущена программа mrouted, и следующим маршрутизатором направленной передачи (то есть между MR2 и UR3, а затем между UR4 и MR). Лишняя копия — это цена туннелирования. Преимущество замены маршрутизаторов направленной передачи UR3 и UR4 на рис. Б.1 на маршрутизаторы многоадресной передачи (те, что мы назвали MR3 и MR4) заключается в том, что мы избежали появления этой дополнительной копии многоадресного пакета в каждой из сетей. Даже если MR3 и MR4 должны установить туннель между собой, поскольку некоторые промежуточные маршрутизаторы между ними (которые на рисунке не показаны) не поддерживают многоадресную передачу, такой вариант предпочтительнее, так как в этом случае не происходит дублирования пакетов в каждой из локальных сетей.

На данный момент сеть MBone практически прекратила свое существование и заменена нормальной многоадресной передачей. Возможно, в многоадресной инфраструктуре Интернета все еще существуют туннели, но они устанавливаются между маршрутизаторами, поддерживающими многоадресную передачу, и внутри сетей поставщиков услуг Интернета, а потому невидимы для конечного пользователя.

Б.3. 6bone

Виртуальная сеть 6bone была создана в 1996 году по тем же причинам, что и MBone: пользователи в группах узлов, поддерживающих версию протокола IPv6, хотели соединить их вместе с помощью виртуальной сети, не дожидаясь поддержки IPv6 всеми промежуточными маршрутизаторами. На момент написания этой книги сеть 6bone выходит из употребления по мере внедрения IPv6; полное прекращение функционирования 6bone ожидается в июне 2006 года [30]. Мы рассказываем о туннелях только потому, что до сих пор можно встретить настроенные туннели. О динамических туннелях мы расскажем в разделе Б.4.

Рис. Б.2. Упаковка IPv6 в IPv4, используемая в сети 6bone

На рис. Б.2 приведен пример двух локальных сетей, поддерживающих IPv6, соединенных с помощью туннеля только через маршрутизаторы IPv4. На рисунке отмечены следующие шаги:

1. Узел HI локальной сети, показанной на рисунке вверху, посылает IP-дейтаграмму, содержащую TCP-сегмент, узлу H4 из локальной сети, показанной внизу. Будем называть эти два узла IPv6-узлами, хотя, вероятно, оба они поддерживают и протокол IPv4. В таблице маршрутизации IPv6 на узле H1 записано, что следующим маршрутизатором является узел H2, и IPv6-дейтаграмма отсылается этому маршрутизатору.

2. На узле HR2 имеется сконфигурированный туннель до узла HR3. Этот туннель позволяет посылать IPv6-дейтаграммы между двумя конечными узлами туннеля через сеть IPv4 путем упаковки IPv6-дейтаграмм в IPv4-дейтаграммы (упаковка IPv6 в IPv4). В поле протокола указано значение 4. Отметим, что оба узла IPv4/IPv6 на концах туннеля — HR2 и HR3 — работают как маршрутизаторы IPv6, поскольку они перенаправляют IPv6-дейтаграммы, получаемые на один интерфейс, через другой интерфейс. Сконфигурированный туннель считается интерфейсом, хотя он является виртуальным, а не физическим интерфейсом.

3. Конечный узел туннеля (HR3) получает упакованную дейтаграмму, отбрасывает IPv4-заголовок и посылает IPv6-дейтаграмму в свою локальную сеть.

4. Дейтаграмма приходит по назначению на узел H4.

Б.4. Переход на IPv6: 6to4

Механизм перехода 6to4 (6на4) полностью описан в документе «Соединение доменов IPv6 через облака IPv4» (RFC 3056 [17]). Это метод динамического создания туннелей, подобных изображенному на рис. Б.2. В отличие от предыдущих механизмов динамического создания туннелей, которые требовали наличия у всех узлов адресов IPv4, а также явного задания механизма туннелирования, 6to4 реализует туннелирование исключительно через маршрутизаторы. Это упрощает конфигурацию и позволяет централизованно устанавливать политику безопасности. Кроме того, появляется возможность совмещать функциональность 6to4 с типичной функциональностью трансляции сетевых адресов и межсетевой защиты (например, это может быть сделано на устройстве NAT, расположенном на стороне клиента).

Адреса 6to4 лежат в диапазоне 2002/16. В следующих четырех байтах адреса записывается адрес IPv4 (рис. Б.3). 16-разрядный префикс 2002 и 32-разрядный адрес IPv4 создают общий 48-разрядный идентификатор. Для идентификатора подсети, идущего перед 64-разрядным идентификатором интерфейса, остается 2 байта. Например, нашему узлу freebsd с адресом IPv4 12.106.32.254 соответствует префикс 2002:c6a:20fe/48.

Рис. Б.3. Адреса 6to4

Преимущество 6to4 перед 6bone состоит в том, что туннели, формирующие инфраструктуру, образуются автоматически. Для их создания не требуется предварительное конфигурирование. Сайт, использующий 6to4, настраивает основной маршрутизатор на известный адрес передачи наиболее подходящему узлу (anycast) IPv4 192.88.99.1 (RFC 3068 [48]). Он соответствует адресу IPv6 2002: :с058:6301::. Маршрутизаторы инфраструктуры IPv6, готовые действовать в качестве шлюзов 6to4, объявляют о маршруте к сети 2002/16 и отправляют упакованный трафик на адрес IPv4, скрытый внутри адреса 6to4. Такие маршрутизаторы могут быть локальными, региональными или глобальными в зависимости от областей действия их маршрутов.

Смысл виртуальных сетей состоит в том, чтобы постепенно исчезнуть с течением времени, когда промежуточные маршрутизаторы обретут требуемую функциональность (в частности, способность работать с IPv6).

Приложение В