Алгоритмы маршрутизации в роутерах

Алгоритмы маршрутизации в роутерах.

    Библиографическая справка.  

          В общедоступном значении слова  маршрутизация означает передвижение  информации от источника к  пункту назначения через объединенную  сеть. При этом, как правило, на  пути встречается по крайней  мере один узел. Маршрутизация  часто противопоставляется объединению  сетей с помощью моста, которое,  в популярном понимании этого  способа, выполняет точно такие  же функции. 

Алгоритмы маршрутизации  

  

     Качество алгоритма определяется  следующими показателями: 

               Оптимальность,  

              Простота и низкие непроизводительные  затраты, 

              Живучесть и стабильность, 

               Быстрая сходимость, 

             Гибкость. 

 

       Оптимальность характеризует способность алгоритма маршрутизации выбирать "наилучший" маршрут. Наилучший маршрут зависит от показателей и от "веса" этих показателей, используемых при проведении расчета.  

       Простота  и низкие непроизводительные затраты 

           Алгоритмы маршрутизации разрабатываются как можно более простыми, чтобы эффективно обеспечивать свои функциональные возможности, с минимальными затратами программного обеспечения. Особенно это важно, когда маршрутизация, должна выполняться в компьютере с ограниченными физическими ресурсами.

   Живучесть и стабильность  

       Алгоритмы маршрутизации должны обладать живучестью. Другими словами, они должны четко  функционировать в случае неординарных или непредвиденных обстоятельств, таких как отказы аппаратуры, условия  высокой нагрузки и некорректные реализации. Т.к. роутеры расположены  в узловых точках сети, их отказ  может вызвать значительные проблемы.

 Часто наилучшими алгоритмами маршрутизации оказываются те, которые выдержали испытание временем и доказали свою надежность в различных условиях работы сети.

       Быстрая сходимость  

       Алгоритмы маршрутизации должны быстро сходиться. Сходимость - это процесс соглашения между всеми роутерами по оптимальным  маршрутам. Когда какое-нибудь событие  в сети приводит к тому, что маршруты или отвергаются, или наоборот, становятся доступными, роутеры рассылают сообщения  об обновлении маршрутизации. Такие  сообщения пронизывают сети, стимулируя пересчет оптимальных маршрутов  и, в конечном итоге, вынуждая все  роутеры придти к соглашению по этим маршрутам. Алгоритмы маршрутизации, которые сходятся медленно, могут  привести к образованию петель маршрутизации  или выходам из строя сети.

       Гибкость  

       Алгоритмы маршрутизации должны быть также  гибкими, т.е. быстро и точно адаптироваться к разнообразным обстоятельствам  в сети, таким как изменения  полосы пропускания сети, размеров очереди к роутеру, величины задержки сети и других переменных. Например, предположим, что сегмент сети отвергнут. Многие алгоритмы маршрутизации, после  того как они узнают об этой проблеме, быстро выбирают следующий наилучший  путь для всех маршрутов, которые  обычно используют этот сегмент.

Типы алгоритмов 

       Алгоритмы маршрутизации могут быть:  

• Статическими  или динамическими

 

• Одномаршрутными или многомаршрутными

 

• Одноуровневыми  или иерархическими

 

• Внутридоменными и междоменными

 

• С интеллектом  в главной вычислительной машине или в роутере 

 

• Алгоритмами состояния  канала или вектора расстояний

       Статические или динамические алгоритмы 

  Статические алгоритмы маршрутизации вообще вряд ли являются алгоритмами. Статические таблицы маршрутизации устанавливаются администратором сети до начала маршрутизации. Они не меняются, если только администратор сети не изменит их. Алгоритмы, использующие статические маршруты, простые и хорошо работают там, где схема сети относительно проста  и трафик сети относительно предсказуем.  Т.к. статические системы маршрутизации не могут реагировать на изменения в сети, они, как правило, считаются непригодными для современных крупных, постоянно изменяющихся сетей. Большинство современных алгоритмов маршрутизации - динамические.

  Динамические алгоритмы маршрутизации (Routing Information Protocol)подстраиваются к изменениям в  сети в масштабе реального времени. Они выполняют это путем анализа поступающих сообщений об обновлении маршрутизации. Если в сообщении указывается, что имело место изменение сети, программы маршрутизации пересчитывают маршруты и рассылают новые сообщения о корректировке маршрутизации. Такие сообщения пронизывают сеть, стимулируя роутеры заново прогонять свои алгоритмы и соответствующим образом изменять таблицы маршрутизации.

 Одномаршрутные или многомаршрутные алгоритмы

  Некоторые сложные протоколы маршрутизации обеспечивают множество маршрутов к одному и тому же пункту назначения, делает возможной мультиплексную передачу трафика по многочисленным линиям (Open Shortest Pass First); одномаршрутные алгоритмы не могут делать этого. То есть многомаршрутные алгоритмы могут обеспечить значительно большую пропускную способность и надежность.

       Одноуровневые или иерархические алгоритмы 

       Некоторые алгоритмы маршрутизации оперируют  в плоском пространстве, в то время  как другие используют иерархии маршрутизации. В одноуровневой системе маршрутизации  все роутеры равны по отношению  друг к другу. В иерархической  системе маршрутизации некоторые  роутеры формируют то, что составляет основу (backbone - базу) маршрутизации. Пакеты из не базовых роутеров перемещаются к базовым роутерам и пропускаются через них до тех пор, пока не достигнут общей области пункта назначения. Начиная с этого момента, они перемещаются от последнего базового роутера через один или несколько не базовых роутеров до конечного пункта назначения. Системы маршрутизации часто устанавливают логические группы узлов, называемых доменами, или автономными системами (AS), или областями. В иерархических системах одни роутеры какого-либо домена могут сообщаться с роутерами других доменов, в то время как другие роутеры этого домена могут поддерживать связь с роутерами только в пределах своего домена. В очень крупных сетях могут существовать дополнительные иерархические уровни. Роутеры наивысшего иерархического уровня образуют базу маршрутизации. 
 

Внутридоменные или междоменные алгоритмы

  Некоторые алгоритмы маршрутизации действуют только в пределах доменов; другие - как в пределах доменов, так и между ними. Природа этих двух типов алгоритмов различная.

  Большая часть сетевой связи имеет место в пределах групп небольших компаний (доменов). Внутридоменным роутерам необходимо знать только о других роутерах в пределах своего домена, поэтому их алгоритмы маршрутизации могут быть упрощенными. Соответственно может быть уменьшен и трафик обновления маршрутизации, зависящий от используемого алгоритма маршрутизации.

  Поэтому понятно, что оптимальный алгоритм внутридоменной маршрутизации не обязательно будет оптимальным алгоритмом междоменной маршрутизации.

       Алгоритмы с интеллектом  в главной вычислительной машине или в роутере 

  Некоторые алгоритмы маршрутизации предполагают, что адрес конечного узла и адрес  источника определяют весь маршрут. Обычно это называют маршрутизацией от источника. Интеллект маршрутизации находится в главной вычислительной машине. В системах маршрутизации от источника роутеры действуют просто как устройства хранения и пересылки пакета, без всяких раздумий отсылая его к следующей остановке.

  В других алгоритмах сами роутеры определяют маршрут через объединенную сеть, базируясь на своих собственных расчетах.

  Системы с интеллектом в главной вычислительной машине чаще выбирают наилучшие маршруты, т.к. они, как правило, находят все возможные маршруты к пункту назначения, прежде чем пакет будет действительно отослан. Однако определение всех маршрутов часто требует большого объема времени.

Алгоритмы состояния канала или вектора  расстояния

  Алгоритмы состояния канала (известные также как алгоритмы "первоочередности наикратчайшего маршрута") направляют потоки маршрутной информации во все узлы объединенной сети. Однако каждый роутер посылает только ту часть маршрутной таблицы, которая описывает состояние его собственных каналов.

  Алгоритмы вектора расстояния ( известные также как алгоритмы Бэлмана-Форда) требуют от каждого роутера посылки всей или части своей маршрутной таблицы, но только своим соседям.

  Алгоритмы состояния каналов фактически направляют небольшие корректировки по всем направлениям, в то время как алгоритмы вектора расстояний отсылают более крупные корректировки только в соседние роутеры. Отличаясь более быстрой сходимостью, алгоритмы состояния каналов несколько меньше склонны к образованию петель маршрутизации, чем алгоритмы вектора расстояния. С другой стороны, алгоритмы состояния канала характеризуются более сложными расчетами в сравнении с алгоритмами вектора расстояний, требуя большей процессорной мощности и памяти, чем алгоритмы вектора расстояний. Вследствие этого, реализация и поддержка алгоритмов состояния канала может быть более дорогостоящей. Несмотря на их различия, оба типа алгоритмов хорошо функционируют при самых различных обстоятельствах.

 

Основные  метрики

• Длина маршрута
• Надежность
• Задержка
• Ширина полосы пропускания
• Нагрузка
• Стоимость связи

       Длина маршрута

    Длина маршрута является наиболее общим показателем маршрутизации. Некоторые протоколы маршрутизации позволяют администраторам сети назначать произвольные цены на каждый канал сети. В этом случае длиной тракта является сумма расходов, связанных с каждым каналом, который был траверсирован. Другие протоколы маршрутизации определяют "количество пересылок", т.е. показатель, характеризующий число проходов, которые пакет должен совершить на пути от источника до пункта назначения через изделия объединения сетей (такие как роутеры).

 

   Надежность

    Надежность, в контексте алгоритмов маршрутизации, относится к надежности каждого канала сети (обычно описываемой в терминах соотношения бит/ошибка). Некоторые каналы сети могут отказывать чаще, чем другие. Отказы одних каналов сети могут быть устранены легче или быстрее, чем отказы других каналов. При назначении оценок надежности могут быть приняты в расчет любые факторы надежности. Оценки надежности обычно назначаются каналам сети администраторами сети. Как правило, это произвольные цифровые величины.

       Задержка 

  Под задержкой маршрутизации обычно понимают отрезок времени, необходимый для передвижения пакета от источника до пункта назначения через объединенную сеть. Задержка зависит от многих факторов, включая полосу пропускания промежуточных каналов сети, очереди в порт каждого роутера на пути передвижения пакета, перегруженность сети на всех промежуточных каналах сети и физическое расстояние, на которое необходимо переместить пакет. Т.к. здесь имеет место конгломерация нескольких важных переменных, задержка является наиболее общим и полезным показателем.  

       Полоса  пропускания 

   Полоса пропускания относится к имеющейся мощности трафика какого-либо канала. При прочих равных показателях, канал Ethernet 10 Mbps предпочтителен любой арендованной линии с полосой пропускания 64 Кбайт/сек. Хотя полоса пропускания является оценкой максимально достижимой пропускной способности канала, маршруты, проходящие через каналы с большей полосой пропускания, не обязательно будут лучше маршрутов, проходящих через менее быстродействующие каналы.