Маршрутизация и форвардинг

Когда пакет приходит на роутер, у роутера есть микросекунды чтобы решить куда его отправить. Он обращается к таблице с миллионами destination-префиксов, находит наилучшее совпадение и передаёт пакет — всё на line rate. Понимание этого механизма объясняет почему единственный неверный BGP-анонс может перенаправить глобальный трафик и почему ECMP может создавать проблемы с elephant flows.

CIDR и longest-prefix match

IPv4-адреса раньше делились на жёсткие классы (A: /8, B: /16, C: /24). Classless Inter-Domain Routing (CIDR, RFC 4632) заменил классы префиксами переменной длины: любой префикс от /1 до /32 допустим.

CIDR-префикс вроде 10.0.0.0/24 означает «первые 24 бита идентифицируют сеть; последние 8 бит идентифицируют хост». Этот префикс покрывает 256 адресов.

Когда несколько префиксов совпадают с destination, роутер выбирает longest match (наиболее специфичный префикс). Пакет к 10.0.0.5 совпадает с 10.0.0.0/8 и 10.0.0.0/24; побеждает /24 потому что он специфичнее.

CIDR позволяет агрегировать маршруты: единственный анонс 10.0.0.0/8 покрывает 16 миллионов адресов. Без агрегации BGP-таблица превысила бы практические лимиты памяти.

Таблица маршрутизации vs таблица форвардинга (FIB)

Таблица маршрутизации: строится протоколами маршрутизации (BGP, OSPF, IS-IS). Хранит все известные префиксы, их атрибуты и альтернативы. Может иметь миллионы записей.

Forwarding Information Base (FIB): таблица data plane которую роутер использует для каждого пакета. Это урезанный per-destination next-hop view скомпилированный из таблицы маршрутизации. Реализован в TCAM-hardware на современных роутерах для line-rate lookup’ов.

Разделение даёт чистую архитектуру:

• Control plane (software): получает обновления протоколов маршрутизации, вычисляет лучшие пути, пишет таблицу маршрутизации, синхронизирует FIB.
• Data plane (hardware ASIC): использует FIB для каждого пакета на скорости терабит в секунду.

Обновления таблицы маршрутизации поступают от BGP/OSPF → таблица маршрутизации → FIB за миллисекунды. Баги в data plane (редкость) проявляются как тихая потеря пакетов, а не очевидные крэши.

ARP и Neighbor Discovery

Зная next-hop IP, роутер должен узнать MAC-адрес этого next-hop чтобы построить link-layer фрейм. ARP (IPv4) бродкастит «кому принадлежит 10.0.0.5?» в локальной подсети; владелец отвечает своим MAC. Роутер кэширует это.

Neighbor Discovery (ND) — эквивалент IPv6: использует ICMPv6 multicast вместо broadcast, и также обрабатывает router advertisements, автоконфигурацию адресов и обнаружение дублирующихся адресов.

BGP: протокол маршрутизации Интернета

Интернет разделён на Автономные Системы (AS) — сети управляемые одной организацией, каждая с уникальным номером AS. Внутри AS interior gateway протоколы (OSPF, IS-IS) вычисляют маршруты. Между AS — BGP (RFC 4271) согласовывает какие префиксы каждая AS анонсирует и предпочитает.

BGP — path-vector протокол: каждый маршрут несёт список номеров AS которые он прошёл. Роутер предпочитает более короткий AS-path (меньше AS для прохождения), с множеством тай-брейкеров (local preference, MED, community атрибуты). BGP намеренно policy-driven: AS может предпочесть дорогой прямой пиринг дешёвому транзиту или полностью избегать определённых AS.

Route leaks и хайджеки. Неправильно настроенная или злонамеренная AS может анонсировать префикс которым не владеет. Трафик для легитимного владельца перенаправляется к атакующему. RPKI (Resource Public Key Infrastructure) позволяет владельцам префиксов подписывать свои анонсы чтобы получатели могли проверить подлинность (подробнее в уроке по безопасности).

ECMP: распределение трафика по равностоимостным путям

Когда роутер имеет несколько равностоимостных путей к destination, он использует ECMP (Equal-Cost Multi-Path) для распределения нагрузки. Роутер хеширует 5-tuple (source IP, source port, destination IP, destination port, protocol) и выбирает путь по хешу mod число-путей. Все пакеты одного TCP-флоу хешируются к одному пути (сохраняя порядок внутри флоу); разные флоу распределяются по путям.

Датацентровые Clos-фабрики (leaf-spine) полагаются на ECMP для bisection bandwidth. Подводные камни:

• Elephant flows: один большой флоу насыщает один путь пока другие простаивают.
• Hash polarisation: одна и та же хеш-функция применённая на последовательных хопах вызывает систематический дисбаланс.
• Современные дизайны используют weighted ECMP, flowlet switching (разбивка флоу во время тихих моментов) или CONGA для балансировки с учётом нагрузки.