経路制御（ルーティング）

学習のポイント

ルータはＯＳＩ参照モデルのネットワーク層，ＴＣＰ/ＩＰのＩＰ層に対応した機器であり，相手のホストへの経路を選択する機能を持ちます。その最適化を図るのが経路制御（ルーティング）です。ここでは，経路を選択する動作と経路制御をどのようによって実現するのかを理解します。

キーワード

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経路制御の概要

ＩＰヘッダ

ＩＰによりパケットを送信するときは，データの前にＩＰヘッダを付加します。ＩＰヘッダのフォーマットは次の通りです。なお，ＩＰの最新バージョンはＩＰｖ６ですが，未だＩＰｖ４が広く用いられていますので，ここではＩＰｖ４を用います（ＩＰｖ６に関しては後述します）。

始点ＩＰアドレス／終点ＩＰアドレス: 始点とは送信元，終点は送信先（宛先）のことです。
上位プロトコル: このパケットを、上位層（トランスポート層）のどのプロトコル（ＴＣＰかＵＤＰかなど）に渡すかを指定します。
ＴＴＬ（生存期間）: ＩＰでは，パケットは多くのルータを経由します。状況によっては，経路ががループになっていて，目的のホストに到着せず永久にループを巡回するようなことがあると，送信の制御もできないし，ネットワークに負荷がかかってしまいます。それを防ぐために，ルータを１回経由するたび（それをホップといいます）に，ＴＴＬ（Time To Live）の値を１だけ減らし，それが０になったらパケットを破棄します。

経路制御のイメージ

インターネット（ネットワーク層のプロトコルであるＩＰ）は、経路制御（ルーティング）というバケツリレーの方式を採用しています。
　ルータは、自分が接続しているネットワークのＩＰアドレスを知っています。ルータＡが宛先のＩＰアドレスを知らないときは、ネットワークに接続している他のルータＢに聞きます。ルータＢも知らなければ、さらにルータＢに接続しているルータＣに聞きます。このようにバケツリレーをしているうちに、いつかはそのＩＰアドレスを知っているルータにたどりつきます。
　バケツリレーとは非効率な方法ですが、この方法では多くの迂回路ができるので、通信網の一部に故障があっても、相手と接続できる確率が高くなるのです。もっともアテもなくバケツリレーしたのでは非効率なので、いろいろな工夫がなされています。

ネットワーク上のすべての機器のＩＰアドレスとそこへのルータのＩＰアドレスの一覧表を持てばよいのですが，世界中には膨大なネットワークがあるので可能です。
ＩＰアドレスを割り振った順に，ＩＣＡＮＮ→ＡＰＮＩＣ→ＪＰＮＩＣ→ＩＳＰとたどっていけば，必ず相手のネットワークへ到達することができます。
しかし、毎回そうしたのでは，上位の機関への通信が殺到してしまいます。
そこで，ルータによく接続する相手，最近接続した相手については対応表（経路表，ルーティングテーブル）を作成しておき，それに合致したものはそれを利用し，そのリストにない場合には上位のルータに接続する（デフォルトルートという）ようにしています。
さらに、経路を短くしたり、高速回線を利用するなど、適切な経路を選択することが求められます。そのための方法を経路制御アルゴリズム（ルーティングプロトコル）といいます。

ＩＰでは、相手までの経路がわかっただけです。それで、次のようなことが発生する可能性があります。これがＩＰ層の限界で、それを解決するにはＴＣＰなど上位層のプロトコルが必要になります。

双方向の通信で、ホストＡからホストＢへの経路が決定しても、ホストＢからホストＡへの経路が記録されていないので、同じような経路探索を行います。その結果、往路と帰路は違う経路になり、帰路がつながらないこともあります。
電子メールなど長い電文は、複数のパケットに分割して送られます。状況によっては、前後のパケットが異なる経路になり、後のパケットが先につくこともあります。また、一部のパケットが多数のルータを経由して破棄されることもあります。

ＩＣＭＰ（Internet Control Message Protocol）

経路の一部に故障が発生したとき、故障の個所を見つけて経路を変更します。故障時の通知には、手作業で行うＩＣＭＰと、経路制御アルゴリズムによる自動経路修復（後述）があります。ここではＩＣＭＰの説明をします。

ＩＣＭＰは，障害が発生したときに通知をするネットワーク層に相当するプロトコルです。次のようなコマンドで実行されます。

pingコマンド

インターネット接続や無線ＬＡＮで接続ができないとき、その状況を確認するのに、最もよく用いらられるコマンドです。エコー要求（Echo Request）を出すとネットワークの状況や情報を知らせるエコー応答（Echo Response）が得られます。
　pingは、echoやipconfigなどの基本的機能を組み合わせたコマンドです。

エコー要求/エコー応答: エコー（echo）とは、指定した文字列を画面表示する命令のことです。エコー要求（Echo Request）は知りたい情報をシステムに要求する機能、エコー応答（Echo Response）はそれを画面表示する機能です。これだけで、送信先（サーバ）と接続している（パケットが送れる）かどうかの確認ができます。
netstat: 自分のＰＣからどこにＴＣＰ接続している相手先とプロトコルおよびＴＣＰの状態を調べるコマンドです。自分のＰＣのローカルＩＰアドレスとポート番号、通信先のＩＰアドレス、ポート番号（上位プロトコル、HTTPなど）、ＴＣＰの状態（正常接続中か否か）が表示されます。
また、指定期間内の受信パケット数、エラー数などの統計資料を得ることもできます。
時間経過メッセージ（Time Exceeded）: ＴＴＬ（Tome To Live：生存時間）が０になったとき，送信元のホストに送られます。これを用いて，経由するルータと時間経過を知ることができる traceroute（UNIX）や tracert（Windows）コマンドがあります。

経路制御の例

ホストＡのＩＰアドレスは 10.1.1.20 で，ネットワーク 10.1.1.0/24 に属しています。このネットワークのルータ１は 10.1.1.1 です。ホストＡの経路表は，次のようになっています。

　　ホストＡの経路表
　　ネットワーク　接続ルータ
　　10.1.1.0/24　　10.1.1.20　　　　　　ア　自分のネットワークと自分のアドレス
　　0.0.0.0/0　　　10.1.1.1 （ルータ１）イ　デフォルトルート

（拡大図）

送信先がホストＢ 10.1.1.30 （同一ネットワーク内）のとき

自分の経路表のアから，ホストＢは同一ネットワークにあることがわかるので，ＡＲＰによりホストＢのＭＡＣアドレスを得て，直接送ります。

送信先がホストＣ 10.1.2.15 （隣のネットワークのとき）

ホストＡの経路表には対象のネットワークがないので 0.0.0.0/0 のデフォルトルートによりルータ１に送ります。ルータは２つのネットワークに接続しているので，ネットワーク１側のＩＰアドレスとネットワーク２側のＩＰアドレスを持っています。ルータ１の経路表は，次のようになっています。

　　ルータ１の経路表
　　ネットワーク　接続ルータ
　　10.1.1.0/24　　10.1.1.1 　ア　ネットワーク１側
　　10.1.2.0/24　　10.1.2.1 　イ　ネットワーク２側
　　10.1.3.0/24　　10.1.2.2 　ウ　ルータ２
　　0.0.0.0/0  　　10.1.2.3 　エ　デフォルトルート（ルータ３）

ルータ１は，ホストＡからの電文の送信先ＩＰアドレス 10.1.2.15 とルータ１のルーテイングテーブルのイにより，ホストＣがルータ１が属しているネットワーク２の中のホストであることを知り，ＡＲＰなどを用いて，ホストＣへ送ります。

送信先がホストＤ 10.1.3.15 （複雑な経路）のとき

ホストＡではデフォルトルートなのでルータ１へ行き，ルータ１ではウによりルータ２へ行きます。ルータ２の経路表は次のようになっています。

　ルータ２の経路表
　　ネットワーク　接続ルータ
　　10.1.2.0/24　　10.1.2.2 　ア　ネットワーク２側
　　10.1.3.0/24　　10.1.3.1 　イ　ネットワーク３側
　　10.1.1.0/24　　10.1.2.1 　ウ　ルータ１
　　0.0.0.0/0  　　10.1.3.4 　エ　デフォルトルート（ルータ４）

ルータ２は，その経路表のイにより，ホストＤが自分の属するネットワーク３の中にあることを知ります。このようにして，いくつかのルータを経由してホストＤに送ることができるのです。

経路表の作成方法

静的経路制御と動的経路制御

経路表の作成方法には，静的経路制御（スタティックルーティング）と動的経路制御（ダイナミックルーティング）があります。
　静的経路制御では，手作業で経路表を作成します。ネットワークの規模が大きくなると作業が困難になりますし，更新があったり，経路でのルータにトラブルがあったりすると，その対応が不十分になる危険があります。
　動的経路制御は，ルータが経路制御アルゴリズムに基づいて自動的に情報を収集し，経路表を更新する方法です。静的経路制御と比べて、ルータに負荷がかかりますが、逐次改善ができること、経路の障害発生などに即応できる利点があります。

ルーズルーティングとストリクトルーティング

上述の「経路制御の例」のようにデフォルトルートを設定する制御方式をルーズルーティングといいます。それに対して経路表にない場合はキャンセルする方式をストリクトルーティングといいます。

ソースルーティング

バケツリレーではなく、送信元（ソース）で送信先までの中継ルータを指定する方式をソースルーティングといいます。中継ルータの故障で接続できなくなる確率が高くなりますが、盗聴される危険性が排除されます。さらに、送信先までの全経路を指定するストリクト・ソース・ルーティング、途中までを指定するルーズ・ソース・ルーティングに区分されます。
　この経路情報は、ＩＰヘッダのオプション項目に記入されます。

経路制御アルゴリズム

ルーティングプロトコルともいいます。送信先への経路は多数ありますが、最適な経路を算出する方法です。主として動的経路制御で用いられます。
　最適経路とは、最短の経路で遅延や損失がないことですが、その尺度をメトリックといいます。経路制御アルゴリズムとは、メトリックを定義して、各経路の測定により点数をつけて、最大（最小）の経路を見つけることだといえます。

　　対象　　　制御アルゴリズム　　プロトコル　　プロトコル層
　　ＩＧＰ　　距離ベクトル型　　　ＲＩＰ　　　　ＵＤＰ
　　　　　　　リンク状態型　　　　ＯＳＰＦ　　　ＩＰ
　　　　　　　　　　　　　　　　　ＩＳ－ＩＳ　　ＩＰ
　　ＥＧＰ　　経路ベクトル型　　　ＢＧＰ　　　　ＴＣＰ

インターネットは、キャリアやＩＳＰグループがそれぞれ自律的に管理するネットワークの集合体になっています。それをＡＳ（Autonomous System：自律システム）といいます。 →（参照：バックボーン回線
　経路情報の交換を行うプロトコルは、ＡＳの内部（ＬＡＮや同一ＩＳＰグループ内）を対象にするＩＧＰ（Interior Gateway Protocol）とＡＳの外部（海外や遠隔地など）を対象にするＥＧＰ（Exterior Gateway Protocol）に大別されます。
　この項ではＩＧＰを対象にします（ＥＧＰは後述）。

ＲＩＰ（Routing Information Protocol）

距離ベクトル型のプロトコルです。
　ここでの距離とは、受信先ＩＰアドレスに到着するまでのルータ経由回数（ホップ数）のことです。また，経路表での「次のルータのＩＰアドレス」のことを方向といい，距離と方向を合わせて距離ベクトルといいます。
　ＲＩＰは，距離（ホップ数）が最小となる距離ベクトルを求めて，経路表を作成する方法です。

各ルータ定期的（例えば３０秒ごと）に経路情報をブロードキャストします。この経路情報が１８０秒（すなわち５回分）到着しなかったら，そのルータからの経路は接続が切れたものとして，経路表に通信不能のフラグをつけます。
　ＲＩＰは，その情報により，各ネットワークに達するまでのルータを経由する回数（ホップ）を計算します。

ネットワーク１: ルータＡからネットワーク１へは，ルータＡを通るだけ（ホップ数は①）ですので，経路表では，ネットワーク１への方向は，ルータＡのネットワーク１側のＩＰアドレス 10.1.1.1 となります。
ネットワーク２: 同様にネットワーク２への方向は，ルータＡのネットワーク２側のＩＰアドレス 10.1.2.1 になります。
ネットワーク３: ネットワーク３へは，ルータＡ→ルータＢの経路（ホップ数②）とルータＡ→ルータＣ→ルータＤの経路（ホップ数②）の２つがありますが，そのうち，ホップ数の小さいルータＡ→ルータＢの経路を採用して，ネットワーク３への方向は，ルータＡから見えるルータＢのＩＰアドレス 10.1.2.2 であるとします。
ネットワーク４: 練習問題とします。

ＲＩＰ２

ＲＩＰ２はＲＩＰに次のような改良をしたものです。

変更があるつど更新情報を配信することにより，変更の即時性を高めました。
ブロードキャストではネットワークのすべてのホストに情報が流れますが，マルチキャストによりルータだけに流すようにします。
サブネットマスク情報も含むことによりクラスレスに対応できるようにしました。
パスワードを用いることにより，必要なＲＩＰ情報だけを受け取るようにしました。

ＲＩＰでの故障発見と対応

下図で，ルータＡはルータＢに経路情報を通知し，ルータＢはルータＡとルータＣに，ルータＡからの情報に距離を１加えた情報を通知します。

ところが，ネットワーク１とルータＡの間が，何らかの原因で切断されたとします。ルータＡはルータＢに経路情報を流しませんが，ルータＢは過去の情報をルータＡに通知します。すると，ルータＡはルータＢ経由で距離２でネットワーク１に接続できると思い，ルータＡからネットワーク１へは距離３で接続できるとの経路情報を流します。それを受けてルータＢは，距離を４とした情報を・・・というように，無限カウントに陥ってしまいます。

無限カウントになるのを防ぐために，次のような対策がとられています。

距離が１６になったら不能として，それ以上の情報を流さない。
ルータＡにはルータＡからの経路情報を戻さない（スプリットホライズン）

ＯＳＰＦ（Open Shortest Path First）

ＯＳＰＦの特徴は、全ルータの情報を相互参照できることにあります。すなわち、各経路の地図（トポロジー）を知ることにより、適切な選択ができます。

ＯＳＰＦの仕組み

ＲＩＰの無限カウント対策をしても，次の赤線のようなループがあるときは，対処が困難になります。それに対処するには，ルータの接続関係をリンク状態といいますが，リンク状態を分析してループの検出する必要があります。

単純なループであれば，ブリッジやルータに装備されているスパニングツリー機能で対処できますが，ここではもっと複雑なループを対象とします。また，経路制御の観点からの考察にします。

定時間間隔（１０秒どと）にＨＥＬＬＯパケットを送信します。これが来なくなれば切断されたと判断します。切断あるいは回復になると，リンク状態更新パケットを送信して，他のルータに状態の変化を伝えます。

ＯＳＰＦでは，リンク状態（トポロジー）を経路情報として交換します。それにより，どのネットワークとどのルータと接続しているかが各ルータに通知されます。また，経路距離をホップ数だけでなく，各リンクの状態やＭＴＵ（下記）などの重み付けをしたメトリックを作り，そのメトリックが最小（最大）になるように経路を選択します。

ＯＳＰＦの欠点は、高性能ルータが必要になること、関係するルータ数が大きくなると複雑度が急増することにあります。高性能化は技術進歩でカバーできますが、ルータ数に関してはエリア分割が必要です。

経路ＭＴＵ探索

パケットを効率よく送るにはパケットの長さを大きくするのがよいので、送受信にあたり、双方で扱える最大の長さＭＳＳ（Maximum Segument Size）をＴＣＰヘッダで伝えあうのが一般的です。
　ＭＴＵ（Maximum Transmission Unit）とは，データリンクで送信できるパケットの最大長です。ＭＴＵは、データリンクの種類によってＭＴＵが異なるので、ルータの設定値以上長いパケットがくると、パケットを分割（フラグメンテーション）して転送します。これはルータの負荷を高くするし、通信効率を下げるので、送信元が事前に経路中のの最小ＭＴＵを調べる必要があります。

この最小ＭＴＵを探すことを経路ＭＴＵ探索といいます。手作業では次のようになります。
　パケットを分割禁止のオプションにして送信すると、それより小さいＭＴＵのルータはＭＴＵの値を入れたＩＣＭＰの到達不可能メッセージを戻します。パケット長さを変えて繰り返せば、経路中の最小のＭＴＵ値を見つけることができます。
　この最小ＭＴＵ値でよいならば、パケットの長さを短くして送信し、不適切ならばその経路を経路表で不利用として、他の経路を選択しなおします。

エリア分割

リンク状態のデータを解析するための計算は複雑なので，ネットワークの規模が大きくなると，負荷が大きくなってしまいます。それを低減するために，ＯＳＰＦではエリアという概念を取り入れます。ネットワーク同士やホスト同士をまとめてエリアとすることにより，ネットワーク全体を階層構造化し，そのエリアでの最適化を図ります。それをリンクステートアルゴリズムといいます。

ＩＳ－ＩＳ（Intermediate System to Intermediate System）

ＯＳＰＦと同様なプロトコルですが、ＯＳＰＦがＴＣＰ／ＩＰ系に準拠しているのに対して、ＩＳ－ＩＳはＯＳＩ基本参照モデルに準拠したプロトコルです。ＩＰｖ４とＩＰｖ６を同じプロトコルで使えるとか、分割方式がＯＳＰＦよりも自由にエリア分割をすることができるなどの利点はあるのですが、伝送データがＯＳＩパケットで、ＩＰパケットは使ないという他プロトコルとの連携が制限される欠点があり、利用は限定的です。それで、ここでは省略します。
　なお、ＩＳ－ＩＳの拡張版のIntegrated IS-ISではＩＰ上でも動作するようになっています。

ＢＧＰ（Border Gateway Protocol）

ＩＳＰより向こうのインターネット、すなわちバックボーンではＡＳ（Autonomous System）を構成単位としたネットワークになっています。→参照：バックボーン回線

ＢＧＰの区分

ＡＳをまたぐ経路情報交換プロトコルをＥＧＰといい、そこでの代表的な経路制御アルゴリズムにＢＧＰがあります。
　ＢＧＰは、
　　　ＡＳ内を対象　内部ＢＧＰ（interior BGP）
　　　ＡＳ間を対象　外部ＢＧＰ（exterior BGP）
に分かれます。
　ＡＳ内であれば、ＲＩＰやＯＳＰＦでもよいのですが、内部ＢＧＰを使うこともあります。それは各ＡＳでのポリシーによります。
　ここでは、外部ＢＧＰを想定し、それをＢＧＰといいます。

ＡＳ番号

通常のＩＰパケットでは、ＩＰヘッダのＩＰアドレスで送信先ホストを探しますが、ＡＳ間ではＩＰパケットにＢＧＰヘッダを付加し、その中のＡＳ番号で送信先ホストが存在する送信先ＡＳを探します。
　ＡＳ番号は２バイトあるは４バイトで、ＩＰアドレスと同じ付与機関から割り当てられ、世界で一意になっています（これにもグローバルＡＳ番号、プライベートＡＳ番号があります）。

経路ベクトル型制御アルゴリズム

ＢＧＰでは，相手のＡＳに通信が到達するまでに通過するＡＳ番号をすべて収集してＡＳリストを作り，その経路が最小のものを採用します。これを経路ベクトルといいます。

ＲＩＰはホップ数（経路に存在するルータ数）をメトリックにしていますが、ＢＧＰでもデフォルトではホップ数をメトリックにしています。それ以外にＡＳ内のルート情報に付加されたパスアトリビュートをメトリックに加えることもできます。

動的経路制御の情報伝送は、ＲＩＰはＵＤＰ、ＯＳＰＦではＩＰを用いていますが、ＢＧＰでは信頼性を重視してＴＣＰを用いています。しかし、定期的なルーティングアップデートは行わず、変更発生時にのみ差分アップデートを行っています。

ＥＧＰでは、ＡＳ事業者間での相互接続をする設備をＩＸといいます。ＢＧＰは、そこでの交換プロトコルとしても利用されます。

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