2.3 Методы маршрутизации и коммутации информации

2.3.1 Методы маршрутизации

Маршрутизация – это процесс определения в коммуникационной сети пути, по которому вызов либо блок данных может достигнуть адресата. Маршрутом в информационной сети именуют путь, по которому осуществляется передача данных из одного порта в другой.

Наиболее удобной формой представления маршрута является граф. Маршрутизация обеспечивает преобразование адреса объекта назначения в перечень каналов, по которым этот блок следует к адресату. Маршрутизация является распределенным процессом и выполняется всеми узлами коммутации сети с маршрутизацией данных. Для этого каждый узел определяет канал, по которому необходимо направить вызов либо блок данных. Выполняя такие действия, в каждом узле обеспечивается передача вызова либо блока данных от системы-отправителя к системе-адресату, возможно, по оптимальному маршруту.

Последний изменяется в зависимости от выхода из строя отдельных каналов, их загрузки и протяженности.

Рисунок 2.13 Процесс маршрутизации

На рисунке 2.13 стрелками показаны возможные направления передачи данных через коммуникационную сеть от абонентской системы А до абонентской системы B.

При коммутации каналов прокладка маршрута через коммуникационную сеть осуществляется только в момент начала сеанса взаимодействия абонентских систем. Для этой цели система-инициатор сеанса передает через сеть вызов. Он проходит через узлы коммутации, каждый из которых вносит свою лепту в маршрутизацию. В результате создается последовательность каналов, соединяющих две взаимодействующие в течение сеанса системы.

При осуществлении коммутации пакетов маршрутизация происходит в течение всего сеанса взаимодействия. Через сеть не передается сигнальная информация и не создается постоянная (на все время сеанса) последовательность каналов. Здесь узлы коммутации осуществляют маршрутизацию блоков данных по адресам их назначения.

В сетях используются различные методы маршрутизации:

Селективная маршрутизация характеризуется тем, что блоки данных посылаются сразу по нескольким направлениям, исходя из того, что они достигнут адресата. Пример  лавинный алгоритм: основан на рассылке копий пакета по всем направлениям. Пакеты сбрасываются, если в данном узле копия уже проходила. Лавинный алгоритм обеспечивает надёжную доставку, но порождает значительный трафик, поэтому используется для передачи пакетов большой ценности.

Вероятностная маршрутизация предполагает случайный выбор пути блоков данных, при этом считается, что они обязательно достигнут адресата.

Фиксированная (статическая) маршрутизация предусматривает составление таблиц маршрутов, указывающих наиболее эффективные пути предполагаемого трафика сети. Здесь маршрут выбирается заранее и не зависит от состояния сети.

Адаптивная маршрутизация отличается от фиксированной тем, что таблицы маршрутов обновляются в зависимости от колебаний трафика. Пример алгоритм «кратчайшей очереди»: пакет посылается по направлению, в котором наименьшая очередь в данном узле.

Блоки данных не всегда прибывают в пункты назначения в том же порядке, в котором отправляются. Это происходит по следующим причинам:

1. различные время и расстояние при передаче блоков, связанное с использованием разных маршрутов коммуникационной сети.

2. потеря блоков в сети и повторная их передача.

3. блуждание блоков по сети, в результате чего блоки передаются повторно и адресат может получать одинаковые блоки.

В результате для того, чтобы восстанавливать сообщение, передаваемое последовательностями блоков, последнее необходимо обрабатывать в пунктах назначения.

Составление таблицы маршрутов для фиксированной (статической) маршрутизации осуществляется администратором сети при проектировании или модификации сети. Однако такой принцип маршрутизации во многих случаях может оказаться неэффективным, т.к. на сети могут оказаться повреждения или перегрузки. Поэтому целесообразно корректировать план распределения информации в зависимости от текущей топологии сети, длин очередей в узлах коммутации, интенсивности входных потоков и т.д.

Цель маршрутизации – доставка пакетов по назначению с максимизацией эффективностью. Чаще всего эффективность выражена взвешенной суммой времени доставки сообщений при ограничении снизу на вероятность доставки.

Алгоритмы маршрутизации включают процедуры:

1. измерение и оценивание параметров сети;

2. принятие решения о рассылке служебной информации;

3. расчёт таблиц маршрутизации;

4. реализация принятых маршрутных решений.

В зависимости от того, используется при выборе направления информация о состоянии только данного узла или всей сети, различают алгоритмы изолированные и глобальные.

Простейший алгоритм – это изолированный статический.

В алгоритмах маршрутизации используется много различных показателей. Сложные алгоритмы маршрутизации при выборе маршрута могут базироваться на множестве показателей, комбинируя их таким образом, что в результате получается один отдельный (гибридный) показатель.

Показатели, которые используются в алгоритмах маршрутизации:

1. Длина маршрута

2. Надежность

3. Задержка

4. Ширина полосы пропускания

5. Нагрузка

6. Стоимость связи

Наиболее широко используемые протоколы маршрутизации: RIP (метод рельефов) и OSPF.

RIP (Метод рельефов)( Routing Information Protocol) - протокол дистанционно-векторной маршрутизации, который оперирует хопами (ретрансляционными скачками) в качестве метрики маршрутизации. Максимальное количество хопов, разрешенное в RIP — 15 (метрика 16 означает «бесконечно большую метрику»).

Рельеф – это оценка кратчайшего пути от узла A до узла B. Оценка (расстояние) может выражаться временем доставки, надёжностью доставки или числом узлов коммутации на данном маршруте.

В таблице маршрутизации узла А каждому из основных узлов отводится одна строка со следующей информацией: узел назначения, длина кратчайшего пути, номер N ближайшего узла, соответствующего кратчайшему пути, список рельефов от A до В через каждый из смежных узлов.

Рисунок 2.14

Например, для узла а строка для d выглядит так (зная, что из узла а можно попасть в узел d через узлы j и k):

1. пункт назначения – d;

2. длина кратчайшего пути Ra(d);

3. номер ближайшего узла N(d)=j;

4. список рельефов: Raj(d), Rak(d).

Пусть изменилась задержка Rak(d) так, что она стала меньше, чем Raj(d). Тогда в строке d таблицы маршрутизации узла a корректируется Ra(d), N(d) изменяется на k, и кроме того всем соседям узла а посылается сообщение об изменённом Ra(d). Например, в некотором соседнем узле l при этом будет изменено значение Rla(d)=Ra(d)+Rl(a). Мы видим, что возникает итерационный процесс корректировки маршрута информации в узлах коммутации.

Хотя данный алгоритм сходится медленно, для относительно небольших сетей он вполне приемлем.

Метод OSPF(Open Shortest Path First] первоочередное открытие кратчайших маршрутов (алгоритм маршрутизации, при котором путь выбирается на основании информации о состоянии канала (link state).

Он основан на использовании в каждом маршрутизаторе информации о состоянии всей сети на основе комплексной оценки каждого канала (надежность, задержка, ширина полосы пропускания, нагрузка, стоимость связи).

Рассмотрим алгоритм применительно к формированию маршрутной таблицы узла A графа, изображенного на рисунке:

Рисунок 2.15 Алгоритм формирования маршрутной таблицы узла A:

Обозначим кратчайшее расстояние от a к i через Ri. Разделим узлы на 3 группы:

1. перманентные, для которых Ri уже рассчитано;

2. пробные, для которых получена некоторая промежуточная оценка, возможно, неокончательная;

3. пассивные, еще не вовлеченные в итерационный процесс.

Итерационный процесс начинается с отнесения узла a к группе перманентных. Далее определяются узлы, смежные с узлом a. Это узлы b и c, которые включаются в группу пробных. Включение в группу пробных отмечается указанием в клетке таблицы, рядом с оценкой, расстояния также имени узла, включаемого в этом шаге в число перманентных.

№ итерации	1	2	3	4	5	6	7	8	9
b	3,a	3
c	1,a
d		8,c	5,b
e			7,b	7	7
f		13,c	13	7,d	7	7
g				6,d
h					9,g	9	9
k						11,e	11	11
n						17,e	17	12,h	12

На следующем шаге узел с минимальной оценкой (c) включается в группу перманентных, а узлы, смежные с ним, в группу пробных, и для них оцениваются расстояния Rd=8 и Rf=13. Теперь среди пробных узлов минимальную оценку имеет узел b. Он включается в группу перманентных узлов, узел e в группу пробных, и для всех пробных узлов, смежных с b, рассчитываются оценки. Это, в частности, приводит к уменьшению оценки узла d с 8 на 5. В таблице это отражено, во-первых подчеркиванием, а во-вторых заменой у узла d метки c на b. Если же новая оценка оказывается больше прежней, то она игнорируется. Этот процесс продолжается пока все узлы не окажутся в группе перманентных. Теперь виден кратчайший путь от a к любому другому узлу x, или что тоже самое – от x к a. Это последовательность конечных отметок в строках таблицы, начиная с последнего узла x. Так для узла x=n, имея в строке n отметку h, в строке h отметку g, и окончательно кратчайший путь есть: a-b-d-g-h-n.