Проблема маршрутизації. Класифікація методів маршрутизації.
Проблеми.
Проблемы Internet, связанные с масштабированием, в последнее время значительно возросли. По мере роста количества узлов образовалось и большее число путей, или маршрутов, которые могут быть использованы для достижения того или иного узла. Информация об этих маршрутах начинает «забивать» базы данных, называемые таблицами маршрутизации, которые используются маршрутизаторами для перемещения пакетов из одного пункта назначения в другой. Но в еще большей степени привел к дополнительному «съеданию» производительности маршрутизаторов сам рост количества пакетов, подлежащих обработке в процессе их пересылки между различными пунктами.
Дополнительные сложности связаны с ATM. Сложный характер передачи IP-трафика с использованием ATM и трудности масштабирования этого процесса выросли в огромную проблему. Маршрутизаторы связывались между собой в основном через виртуальные каналы ATM. С целью достижения максимальной производительности эти каналы проектировались в виде полной сетки, т.е. каждый из маршрутизаторов в сети ATM был связан с каждым из остальных.
Проблема здесь, в конечном счете, состоит в том, что каждый маршрутизатор является соседним по отношению к каждому из остальных маршрутизаторов сети независимо от их физического расположения. В соответствии с существующими протоколами маршрутизации соседние маршрутизаторы обмениваются друг с другом свежей информацией относительно происходящих в сети изменениях. При небольшом количестве маршрутизаторов в сети объемом генерируемой информации о маршрутах можно пренебречь, но при добавлении и новых маршрутизаторов необходимо осуществить п4 обновлений информации. Ввиду столь быстрого роста объема информации о маршрутах в больших сетях может наступить такой момент, когда относящийся к передаче этой служебной информации трафик подавляет маршрутизатор. Хотя работа в подобных условиях и возможна, но для этого обычно приходится жертвовать либо производительностью, либо простотой сети.
Маршрутизации свойственны динамические процессы еще одного рода — конкуренция. Коммутаторы уровня 2, подобные коммутаторам Erthernet, предлагают намного лучшую производительность по сравнению с их собратьями-маршрутизаторами при намного меньшей стоимости. Небольшой сюрприз: обычно коммутаторы уровня 2 обеспечивают какую-то долю функциональных возможностей маршрутизаторов. Более того, поскольку они проверяют лишь адреса уровня 2, а не уровня 3, они могут начинать обработку пакетов раньше.
Для эффективного перемещения пакетов в пределах всей страны сеть все еще нуждается в маршрутизаторах. Тем не менее, интерес к попыткам приспособить коммутационную модель к задачам маршрутизации постоянно растет.
Переход на новый качественный уровень маршрутизации с обновленными функциональными возможностями также стал явно более трудным. Одним из примеров этого может служить так называемая бесклассовая междоменная маршрутизация (classless interdomain routing — CIDR). Проще говоря, CIDR разработана для того, чтобы справиться с целым рядом проблем IP-адресации, являющихся постоянной горячей темой сетей, работающих под управлением IP. Как бы то ни было, CIDR требует изменения алгоритмов пересылки почти на всех маршрутизаторах, а это трудоемкий по времени процесс, требующий больших затрат денежных средств.
Наконец, существует проблема передачи трафика переменного типа. Среди некоторых провайдеров наблюдается все больший интерес к использованию IP-сети для передачи различных видов трафика. Это неминуемо затрагивает вопросы качества обслуживания (QoS), как обсуждалось в главе 2. Однако функционирования службы QoS самой по себе оказывается недостаточно. Имеющиеся в настоящее время схемы IP не в состоянии справиться с проблемами QoS, поскольку трафик IP начинает забивать каналы. Первоначально маршрутизаторы останавливают свой выбор на некотором маршруте, являющимся наиболее дешевым. Как только выбор маршрута осуществлен, протокол QoS начнет назначать трафику этот маршрут. Наконец наступит момент, когда ресурсы этого пути будут исчерпаны, но маршрутизаторы будут предпочитать выделять именно его, в результате чего наступит отказ службы QoS. Требуется решение, в котором QoS и маршрутизаторы функционировали бы в едином ключе.
Методи.
Для задач маршрутизації мереж з пакетною комутацією розроблена велика кількість методів (іноді називають стратегії) маршрутизації. Зауважимо, що найбільш розповсюдженими являються одношагові методи, коли кожний вузол мережі вибирає канал відправки до наступного вузла. Багатошагові методи використовуються рідко. Нагадаємо, що в цьому випадку рішення на маршрутизацію приймає вузол – відправник і маршрут передачі включає багато проміжних вузлів.
Виділяють 3 класи маршрутизації:
-Прості методи маршрутизації
-Фіксовані методи маршрутизації
-Адаптивні методи маршрутизації
До простих методів відносяться:
-Лавинна маршрутизація
-Випадкова маршрутизація
-Маршрутизація по попередньому досвіду.
8.2.1. Лавинна маршрутизація. Лавинна маршрутизація не потребує ніякої мереженої інформації і діє таким чином. Вузол – відправник передає пакет всім суміжним вузлам. На кожному вузлі прийнятий пакет ретранслюється на всі вихідні канали, по якому він поступив. В кінці кінців багато копій пакету прибудуть до вузла – отримувача. Кожна копія повинна мати унікальний ідентифікатор (наприклад, номер вузла – відправника, порядковий номер), щоб вузол – отримувач міг анулювати всі копії, крім першої. Поки будь-яка обставина не зупинить безперервну ретрансляцію пакетів, кількість циркулюючих в мережі копій буде необмежено рости. Для запобігання цього явища використовують різні міри. Наприклад, на кожному вузлі запам’ятовують ідентифікатори вже ретранслірованих пакетів або включення в кожний пакет лічильника переходів. Коли лічильник фіксує нуль переходів – пакет анулюється. Лавинна маршрутизація має три цікаві властивості: • Використовуються всі можливі маршрути між відправником і отримувачем. Таким чином. Пакет буде доставленим в кожному випадку, навіть тоді, коли діє один тракт між відправником і отримувачем, а інші вийдуть з ладу. • Так як задіяні всі маршрути, то в крайньому випадку одна копія пакету буде доставлена по призначенню з мінімальним числом переходів. • Відвідуються всі вузли, які безпосередньо або побічно з’єднані з вузлом – відправником. Перша властивість обумовлює високу живучість лавинної маршрутизації, що робить її пригодною для передачі екстренних повідомлень. Приклад її використання – мережі військового призначення. Другу властивість можна використати для установки віртуальних каналів. Третя властивість робить лавинну маршрутизацію корисною для передачі службової мереженої інформації на всі вузли, що реалізовано в протоколі маршрутизації OSPF. Основний недолік лавинної маршрутизації – створення нею великого навантаження прямо пропорційного зв’язаності мережі. 8.2.2. Випадкова маршрутизація. Випадкова маршрутизація поєднує простоту і живучість лавинної маршрутизації з більш низьким навантаженням. При випадковій маршрутизації кожний вузол вибирає для ретрансляції прийнятого пакету тільки один вихідний канал. Канал, по якому був прийнятий пакет, вибирається випадково із числа всіх каналів. Як і лавинна, випадкова маршрутизація не потребує використання мереженої інформації. Оскільки вибір випадковий, то вибраний маршрут, як правило, не буде мати на мінімального числа переходів, ні мінімальної вартості. Таким чином, рівень навантаження в мережі буде вище оптимального, але не такий великий, як при лавинній маршрутизації. 8.2.3. Фіксована маршрутизація. При фіксованій маршрутизації для кожного вузла мережі розробляється таблиця маршрутів, в якій вказують перші канали маршруту передачі до всіх вузлів мережі. Нагадаємо, що використовується одношагова маршрутизація і, фактично, розробляється не таблиця маршрутів, а таблиця напрямків маршрутів. Але використовують термін – «таблиця маршрутів». Для вибору маршрутів використовують один з алгоритмів маршрутизації, наприклад, алгоритм Дійкстри або алгоритм Беллмсна-Форда. Для розробки таблиці маршрутів на кожному вузлі використовують фізичну структуру мережі (карту мережі), в якій позначені всі вузли мережі і їх порти, всі канали ПД з метрикою для кожного напрямку каналу. Розмір таблиці маршрутів визначається кількістю вузлів в мережі, чим більше вузлів – тим більший розмір таблиці маршрутів, тим складніше її розробка. При фіксованій маршрутизації для дейтаграм і для віртуальних каналів застосовується одна і таж стратегія. Всі пакети від заданого відправника до заданого отримувача слідують по одному і тому ж маршруту. Перевага фіксованої маршрутизації – її простота; вона добре працює в надійній мережі з стабільним навантаженням. Недолік її – мала гнучкість. Мережа з фіксованою маршрутизацією не реагує на перенавантаження і зміну топології. Для зменшення впливу цих недоліків в таблиці маршрутів назначаються резервні нестернативні маршрути. Фіксована маршрутизація виконується в комутаторах третього рівня, тому що таблиця маршрутів вводиться вручну адміністратором. 8.2.4. Адаптивна маршрутизація. Практично у всіх мережах з пакетною комутацією застосовується будь-який вид адаптивної маршрутизації. Іншими словами, якщо змінюється стан мережі, то змінюється прийняття рішення. Основні умови, які впливають на рішення на маршрутизацію: • Відказ. Якщо вузол або магістраль виходять з ладу, вони вже не можуть включатися в маршрут. • Перенавантаження. Якщо певна частина мережі перенавантажена, бажано, щоб пакети направлялись в обхід цієї області. Адаптивна маршрутизація потребує обмін інформацією між вузлами про стан мережі. Відносно фіксованої маршрутизації адаптивна маршрутизація має деякі недоліки: • Рішення на маршрутизацію більш складне, тому що об’єм обробки інформації на вузлах мережі збільшується. • В більшості випадків адаптивні стратегії залежать від інформації про стан мережі, яка збирається в одному місці, а використовується в іншому. Тому необхідно вибрати компроміс між якістю і об’ємом службової інформації, чим більше і чим частіше передається інформація, тим обгрунтованішим буде рішення на маршрутизацію. Але ця службова інформація сама по собі завантажує мережу, що зменшує ефективність. • Адаптивна стратегія може реагувати дуже швидко, що визве коливання і, як наслідок, перенавантаження або дуже повільно, із-за чого адаптація втрачає швидкість. Незважаючи на цю реальну небезпеку, стратегії адаптивної маршрутизації – самі розповсюджені по двох причинам: • Адаптивна маршрутизація підвищує швидкодію мережі. • Адаптивна маршрутизація має тенденцію до вирівнювання навантаження, тому допомагає керуванню перенавантаженням. Реалізація адаптивної маршрутизації залежить від вибраного алгоритму маршрутизації і, як показав досвід експлуатації мереж, від інших факторів, наприклад, структури мережі. Адаптивна маршрутизація виконується маршрутизаторами, які періодично через встановлений інтервал уповільнюють інформацію про стан мережі і на протязі кожного інтервалу розробляють або корегують таблицю маршрутів. Ясно, що маршрутизатор значно складніший і дорожчий, ніж комутатор. Для збору інформації про стан мережі в системі керування мережею створюються спеціальні пристрої для передачі службової інформації. Інформація по робочим каналам передається і методом лавинної маршрутизації, має найвищий приорітет і займає не багато часу. Досвід показує, що в сучасних мережах навантаження службової інформації не перевищує 1% від загального навантаження.