2. Алгоритми і протоколи маршрутизації в комп'ютерних мережах.

На відміну від класичних телефонних мереж і інтегральних цифрових мереж передачі даних, комп'ютерні мережі мають специфічні особливості транспортування повідомлень, зокрема наступні:

• багато з'єднань проходять через дуже велике число вузлів комутації;

• лінії і вузли мають недостатньо високу надійність;

• характер переданих повідомлень протягом декількох хвилин може істотно змінитися;

• мала кількість альтернативних шляхів передачі.

При розгляді найбільше широко використовуваних алгоритмів маршрутизації будемо виходити з того, що кожному з вузлів мережі відомі адреси сусідніх вузлів, а для всіх ліній зв'язку, що з'єднують сусідні вузли, визначена їхня метрика. Як метрику зв'язків часто використовується «вартість» або «відстань». Узагальнене поняття «вартості» враховує як фактичну вартість використання лінії, так і ряд інших параметрів (відстань, пропускну спроможність, затримку передачі і т.д.).

Розглянуті алгоритми відносяться до розподілених, у яких вузлам удається так вибудувати глобальну маршрутну інформацію, що визначається маршрут з мінімальною вартістю, хоча кожен вузол обмінюється повідомленнями тільки зі своїми сусідами. Для цього в загальному потрібне велике число кроків (хопів), поки мережа не установиться в стабільний стан.

При виконанні алгоритму маршрутизації вузол повинний одержувати інформацію від сусідніх вузлів, що виконують такий же алгоритм маршрутизації, про мережі, що можуть бути досяжні при передачі даних через кожен сусідній вузол. Накопичуючи отриману інформацію, кожен вузол може визначити напрямок – маршрут передачі даних для кожної з досяжних мереж. У випадку, якщо таких маршрутів виявилося трохи, алгоритм маршрутизації може передбачати використання спеціального критерію для вибору кращого з них.

У залежності від способу, використовуваного для забезпечення обміну інформацією про маршрути в мережі між вузлами при виконанні алгоритму маршрутизації, розрізняють два типи протоколів маршрутизації:

• дистанційно-векторні (distant vector);

• оцінки стану ліній (link state) (стану зв'язків).

Дистанційно-векторні протоколи передають інформацію про маршрути періодично через встановлені інтервали часу.

Протоколи оцінки стану ліній (зв'язків) передбачають передачу інформації про маршрути в момент первісного включення або при виникненні змін в існуючій структурі інформаційних зв'язків.

До дистанційно-векторних алгоритмів (DVA – Distance Vector Algorithms) відноситься алгоритм Беллмана-Форда. Вихідним положенням у цьому алгоритмі є те, що кожному вузлові відомі розташування і можливості вузлів мережі, але невідомі найкоротші шляхи до них. Під «найкоротшим шляхом» мається на увазі шлях з мінімальною «вартістю». На кожнім вузлі є вектор відстаней, що представляє собою список із записами виду: «Одержувач; Вартість». Вартість позначає при цьому поточне значення суми «вартостей» доставки повідомлення по найкоротшому шляху до відповідного одержувача. Як початкове значення кожен вузол установлює такі вартості доставки повідомлень до несуміжних вузлів, що свідомо вище найвищих очікуваних витрат (установлюється нескінченно велике значення).

Маршрутизація з урахуванням стану зв'язків. Недоліки, властиві дистанційно-векторної маршрутизації, викликані тим, що вузли мають занадто мало інформації про топологію всієї мережі. При обліку стану ліній зв'язку (Link State Routing - LSR) вузли мережі мають інформацію про топологію всієї мережі і про вартість зв'язків між ними. Усі вузли мережі використовують той самий алгоритм для визначення першого найкоротшого шляху SPF (Shortest Path First).

На початку функціонування мережі кожен вузол формує групу пакетів стану ліній LSA (Link State Advertisements). LSA-пакет містить ідентифікатори власного і сусіднього вузлів, а також вартість зв'язків між ними. На наступному кроці пакети стану ліній розсилаються широкомовно всім іншим вузлам мережі. Вузли, що одержали LSA-пакети від усіх маршрутизаторів мережі, паралельно один з одним створюють топологічну базу даних, утримуючі всі LSA-повідомлення. На основі отриманої інформації вузли розраховують шляхи з мінімальними вартостями. При цьому маршрутизатор розраховує топологію найкоротших шляхів у виді SPF-дерева, поміщаючи себе в корінь. Усякий раз, коли LSA-пакет викликає зміну в базі дані стани каналів, алгоритм обліку станів ліній перераховує шляхи й обновляє таблицю маршрутизації.

Алгоритм SPF гарантує правильне функціонування мережі при порушеннях зв'язку або виході з ладу окремих маршрутизаторів і виключає можливість дворазової передачі пакета по тому самому шляхи. До алгоритмів, що використовують знання про топологію всієї мережі і враховуючої вартості зв'язків між усіма її вузлами, відноситься алгоритм Дейкстри (Dijkstra's algorithm) (Эдсгер Вайб Дейкстра). За допомогою цього алгоритму знаходяться найкоротші маршрути від даного вузла-джерела до всіх інших вузлів мережі.

На основі алгоритму Дейкстри найкоротші шляхи від заданого вузла-джерела до всіх інших вузлів мережі визначаються ітераційно (покроково) в процесі перебору маршрутів у порядку збільшення числа їхніх сегментів. Побудова шляхів відбувається поетапно. На -м кроці знаходяться шляхів з мінімальною вартістю до вузлів.

Білет №3

1. Ентропія джерела повідомлень. Властивості ентропії.

2. Загальна характеристика способів і протоколів маршрутизації повідомлень.

Відповіді.

1.  Ентропія джерела дискретних повідомлень, властивості ентропії

В [3] показано, що якщо представити дискретне джерело інформації як стаціонарний дискретний ергодичний (точніше марковський) процес, то середня швидкість передачі інформації від джерела (з точністю до коефіцієнта) і, отже, середня кількість інформації , що від нього можна одержати, визначаються величиною виду

. (1)

Формула (1) у теорії інформації носить назву формули Шеннона.

Величина (1) була введена Больцманом у статистичній механіці і названа ентропією. Шеннон при розробці фундаментальних положень теорії інформації ввів цю величину як міру інформації (у середньому) від джерела і теж назвав її ентропією розподілу імовірностей деякої події ( ). Якщо — імовірність незалежних букв алфавіту потужності , то характеризує середню кількість інформації, наприклад, «біт на символ» або «біт на розряд».

Ентропія є безперервною функцією від імовірності появи букви у тому чи іншому розряді (символі) повідомлення і володіє наступними властивостями.

1. Ентропія джерела дискретних повідомлень є величина дійсна, обмежена і ненегативна.

2. Ентропія джерела рівна нулю, якщо з імовірністю одиниця в якості символу вибирається одна й та ж буква алфавіту (невизначеність в поведінці джерела відсутня).

3. Ентропія максимальна, якщо всі символи джерела незалежні і рівноімовірні поява будь-якої букви алфавіту ( ). При цьому є монотонною функцією числа та рівна .

2. Загальна характеристика способів маршрутизації повідомлень.

У процесі з'єднання між двома абонентами необхідно вказати маршрут у мережі, тобто визначити ті вузли мережі, через які буде проходити з'єднання.

Процес вибору маршруту проходження повідомлення називається маршрутизацією.

Ціль маршрутизації – доставка пакетів по призначенню з максимальною ефективністю.

Найчастіше ефективність виражена зваженою сумою часів доставки повідомлень при обмеженні на імовірність доставки їхньому одержувачеві. Маршрутизація зводиться до визначення напрямків руху пакетів у вузлах (маршрутизаторах). Вибір одного з можливих у вузлі напрямків залежить від поточної топології мережі, що може мінятися хоча б через тимчасовий вихід деяких вузлів з ладу, довжин черг у вузлах комутації, інтенсивності вхідних потоків і т.п. Алгоритми маршрутизації включають наступні типові процедури:

• вимір і оцінювання параметрів мережі;

• ухвалення рішення про розсилання службової інформації;

• розрахунок таблиць маршрутизації;

• реалізація прийнятих маршрутних рішень.

У комп'ютерних мережах застосовуються різні способи маршрутизації:

• хвильова (лавинна);

• с фіксованими шляхами;

• адаптивна.

Хвильова (лавинна) маршрутизація (flooding). При цьому способі здійснюється децентралізована маршрутизація без обліку якої-небудь інформації про мережі. Суть його полягає в наступному. Пакет, що надійшов у вузол, передається по усіх вихідних напрямках (широкомовна передача), за винятком вузла, з якого надійшов пакет. Якщо у вузол надходить пакет, що вже проходив по ньому, то цей пакет стирається. Щоб пакети, що розмножуються, не перевантажували мережу, віддаляються деякі пакети, тайм-аут яких минув, або минулих через кількість вузлів, що перевищує деяке задане число. Існує удосконалена версія широкомовної маршрутизації, називана селективним широкомовним розсиланням. По цьому способі розсилання виробляється не по всіх можливих напрямках, а тільки по тим, що приблизно ведуть у правильну сторону.

Основним достоїнством способу є висока надійність (використання в спеціальних мережах). Недолік – сильне завантаження мережі, ускладнення вузлів.

Маршрутизація з фіксованими шляхами підрозділяється на одномаршрутну (одношляхову) і на маршрутизацію з альтернативними шляхами. Поточний стан мережі не враховується. З'єднання між вузлами при одномаршрутному способі здійснюється завжди по тому самому шляху. Будь-які зміни в маршрутні таблиці вносить тільки адміністратор мережі. Основне достоїнство способу - його простота, однак, при відмовленнях окремих напрямків частина з'єднань при цьому способі взагалі не можлива. До недоліку такої маршрутизації варто віднести також ігнорування фактичним завантаженням трактів. Тому спосіб з фіксованими шляхами використовується переважно на мережах зі стабільним навантаженням.

Адаптивна маршрутизація враховує динамічний стан вузла або мережі, тобто маршрут адаптується до стану мережі. Способи адаптивної маршрутизації розділяють на локальні (облік тільки стану власного вузла) і глобальні, у яких враховується стан усієї мережі або більшої її частини. Протоколи, побудовані на основі адаптивної маршрутизації, дозволяють усім вузлам збирати інформацію про топологію мережі й оперативно обробляти всі зміни її конфігурації.