27. Выбор топологии сети передачи данных. Методы маршрутизации сообщений в сетях.

(Командровский)

Выбор топологии сети передачи данных

Одним из сложнейших общих вопросов проектирование информационно-вычислительных сетей является определение их топологии. При этом, как правило, даны географические пункты расположения терминалов и других источников информации, а также характеристики трафика. Требуется определить, как расположить узлы концентрации и коммуникации (узлы сети), как их соединить, какая при этом будет топология сети, сколько нужно каналов и т.д. В настоящее время существует несколько алгоритмов: Чанди-Рассела (основан на ветвях и границах); Ежи-Вильямса; Прима; Крускала.

Рассмотрим алгоритм Ежи-Вильямса. Он ведет поиск наиболее удаленных от центра (концентратора) узлов и соединение их с соседними узлами с целью обеспечения наибольшего выигрыша в стоимости. Вначале по этому алгоритму определяется множество {t_ij = c_ij - c_ik}, где c_ij – стоимость соединения узлов i и j линией связи, k – индекс концентратора, ik, ji. Затем на этом множестве выбирается min{t_ij} и рассматривается соединение узлов i и j на допустимость: нет ли контура; не превышается ли _доп.

Если ограничения удовлетворяются, то линия (i, j) добавляется к дереву, при этом:

• изменяя (увеличивая) поток в соответствующем узле (j, если поток направлен от узла i, тогда _i’ = _i + _j);

• в множестве {t_ij} исключаются те t_ij, которые не должны рассматриваться при следующих шагах (для исключения контуров).

Если ограничения не удовлетворяются, то выбранная линия исключается из дальнейшего рассмотрения.

В существующих ИВС применяются различные методы или алгоритмы выбора маршрутов передачи сообщений. Выбор того или иного алгоритма зависит от многих условий: географии сети, ограничений на ее характеристики - задержку передачи со­общений, стоимости, пропускных способностей каналов связи, методов управления. потоков (графика сети) и множества других причин. Обычно в каждом узле сети принимается некоторый алгоритм, определяющий ли­нию, по которой следует передавать пакет или сообщение, если они еще не дошли до места назначения. Качество работы алгоритма определяет величину средней задержки при передаче, изменяет пропускную способность сети, особенно вблизи мест перегрузок, вызывает изменение других показателей функционирования сети.

Классификация методов маршрутизации.

В литературе предлагаются различные методы классификации процедур маршрутизации, в соответствии с которыми различают:

• детерминированные (идеального наблюдателя с централизованным контролем кратчайшего пути, лавинообразного заполнения сети сообщениями по определенному числу исходящих линий, например, по обычно используемым) и стохастические (случайные) стратегии;

• стратегии с центральным и локальном (распределенным) управлением;

• неадаптивные и адаптивные стратегии.

Характеристика методов. Их достоинства и недостатки Лавинная маршрутизация. Примером детерминированного алгоритма является процедура лавинообразного заполнения сети сообщениями. Каждый узел, получающий сообщение, передает его по всем исходящим линиям или по заранее выбранному числу этих линий, следуя некоторому простому правилу. Метод достаточно надежен и прост, обладает большой живучестью при повреждениях узлов и линий; сообщении всегда достигают места назначе­ния. Однако обычно он используется в слабо загруженных или на начальном этапе исследования сети, когда отыскиваются пути между парами узлов S и Т посылкой из S короткого пакета с условием записи каждым пакетом своего маршрута и фиксации времени достижения Т. Тогда первый достигший Т пакет будет содержать запись оптимального маршрута, отвечающего условиям загрузки сети. Информацию об этом маршруте можно возвратить в S для дальнейшего управления выбором пути для по­следующих пакетов.При лавинной процедуре высокая скорость доставки создается за счет трафика, возрастающего в число раз, пропорциональное числу линий в сети, приходящемуся на среднее число линий в оптимальном маршруте.

Стохастическая маршрутизация.

При стохастической или случайной процедуре каждый узел, получающий пакет, посылает его по случайно выбранной линии. Пакет осуществляет «броуновское дви­жение» или «блуждание абсолютно пьяного человека» по сети и в конце концов при­бывает к месту назначения, если не будет исключен из сети по каким-либо ограничени­ям (например, времени пребывания в сети). Преимущества случайной процедуры опре­деляются простотой ее реализации и нечувствительностью к изменениям структуры среды. Недостатками случайной процедуры являются неэффективность из-за увеличе­ния времени задержки сообщений в сети, так как по пути к месту назначения сообще­ния приходится проходить по большему числу линий, и перегрузка сети.

Направленная маршрутизация.

В этом методе некоторый управляющий центр сети помещает в каждом узле таб­лицы маршрутизации, которые определяют единственный канал для каждого узла на­значения к, таким образом, не допускают какой-либо возможности выбора при опре­делении маршрутов.

Элемент матрицы - это узел, с которым есть линия от данного текущего узла или через который есть линия (транзит) к узлу назначения. Чтобы в таблице найти выходную линию, надо использовать но­мер узла, которому адресуется пакет. Taк, если пакет поступил в узел 1, а узел назначе­ния -5, то просматривается строка 5 таблицы, которая указывает, что должна быть ис­пользована линия, ведущая к узлу 3. Неоднозначность, возможность нескольких одинаковых по длине маршрутов отра­жается двумя числами в клетках таблиц. Пусть выбор сделан, и в таблицах маршрутов каждая запись указывает единствен­ную выходящую линию. Тогда значение таблицы состоит в том, что при заданном мес­те назначения маршрут пакета определяется тем, где пакет находится, а не тем, как он сюда попал. Это условие называется марковским ограничением из-за его аналогии с марковским процессом.

Маршруты от всех других узлов к заданному узлу назначения образуют дерево, на­зываемое входящим деревом этого узла.

Адаптивная маршрутизация. Реакция на изменение топологии сети ближайшего соседа.