9.6 Алгоритмы маршрутизации в сетях с коммутацией пакетов

Под алгоритмами маршрутизации подразумевают протокол сетевого уровня, который управляет пакетами при их движении по подсети связи до требуемого места назначения [79].

В зависимости от принципа передачи сообщений от абонента-источника к абоненту-адресату различают несколько модификаций КП, основными из которых являются режим виртуальных сообщений и дейтаграммный режим.

В режиме виртуальных сообщений абонент-источник перед тем, как послать сообщение абоненту-адресату, посылает специальный пакет виртуального вызова с информацией о величине посылаемого сообщения с целью резервирования ресурса (памяти) абонента-адресата для приема пакетов всего сообщения. Пакет виртуального вызова одновременно фиксирует маршрут передачи пакетов одного и того же сообщения (устанавливает виртуальный канал) и резервирует ресурсы УК для приема следующих друг за другом пакетов этого сообщения. По окончании сеанса связи виртуальный канал разрушается.

При дейтаграммном способе передачи пакетов абонент-источник посылает пакеты сообщения без предварительного уведомления абонента-адресата, при этом пакеты одного и того же сообщения могут передаваться по различным маршрутам. В соответствии с архитектурой цифровых сетей маршрутизация осуществляется на сетевом уровне. При этом процессы маршрутизации, в свою очередь, можно представить в виде трех уровней:

1) передачи пакетов по выбранному маршруту (пути);

2) выбора пути передачи по маршрутным таблицам;

3) коррекции матриц маршрутов.

Методы коррекции матриц для сетей с КП часто называют методами адаптивной маршрутизации. При дейтаграммном режиме необходимость в выполнения процессов первого уровня отпадает, так как перед передачей информационных пакетов никакой маршрут не выбирается и не устанавливается определенный виртуальный канал между источником и потребителем информации. Процесс аналогичен передаче информации по установленному каналу.

Процессы второго уровня (выбор направления передачи по таблице маршрутов) осуществляется в процессе передачи информационных пакетовпо сети в случае дейтограммного режима или с помощью специальных пакетов вызова при установлении виртуального канала. Процессы второго уровня аналогичны установлению соединения.

Процессы первого и второго уровней характерны для фиксированной маршрутизации в сетях с КП. Процессы третьего уровня относятся к динамическому управлению распределением потока пакетов. Коррекция матриц маршрутов как при дейтаграммном режиме, так и при коммутации пакетов с виртуальными каналами может выполняться аналогичными методами [80]. Первоначально принципы построения и функционирования систем адаптивного (динамического) распределения информационных потоков были сформулированы в 1964 г. В. Г. Лазаревым. Несколько позднее на их основе был разработан метод распределенного управления выбором путей передачи информации, получивший название метода рельефов. Однако, несмотря на тот факт, что научный приоритет идей адаптивного распределения принадлежит нашей стране, практическая реализация была осуществлена в США в сети ARPA (Advanced Research Project’s Agency), созданной управлением перспективных научных исследований (DARPA) в 1968 г. Основным критерием оптимальной маршрутизации в сетях с КП является среднее время задержки пакета в сети. Поэтому основной проблемой при адаптивной маршрутизации является оценка времени передачи пакетов по различным маршрутам.

В сетях с КП в режиме виртуальных соединений на каждом УК маршрутизация осуществляется с помощью таблицы путевых номеров виртуальных каналов. Указанная таблица сопоставляет номера линий, связанных с данным УК, а номера логических каналов в этих линиях - с номером виртуального канала. С помощью этих таблиц осуществляется выбор пути передачи пакетов в УК.

Выбор маршрута устанавливаемого виртуального канала может осуществляться централизованно или быть распределенным. При централизованном способе информация о состоянии сети (сведения о нагрузке, наличии свободных логических каналов в линиях связи, данных очередей в УК и др.) поступает в ЦУС или специальный центр маршрутизации. На основе этих данных ЦУС, используя алгоритм выбора кратчайших путей по критерию задержки пакета в сети, определяет по заявке от абонента-источника маршрут прохождения виртуального канала. Сведения о маршруте в виде управляющей информации передаются в УК, через которые проходит образованный виртуальный канал. На основе этой информации заполняется таблица путевых номеров указанных УК. Если виртуальный канал невозможно установить, то ЦУС посылает абоненту-источнику отказ в установлении канала, либо запрос ставится в очередь на ожидание. После окончания сеанса связи ЦУС осуществляет разъединение виртуального канала. Таким образом, выбор оптимального маршрута в случае централизованного управления в сетях с КП в режиме виртуального соединения осуществляется в ЦУС на основе методов потока кратчайшего пути, в частности, матричных методов. При этом, каждой линии назначается определенный вес, зависящий от стоимости линии, ее длины, задержки во времени при передаче сигналов, нагрузки в линии, числа ошибок и др.

При распределенном способе выбора маршрутов виртуальных каналов на каждом УК имеется матрица маршрутов, определяющая порядок выбора исходящих линий для связи с УК, к которому включен абонент-адресат. При поступлении пакета-вызова на определенный УК, в заголовке которого указан УК-адресат, по маршрутной матрице в порядке предпочтения отыскиваются свободные логические каналы в исходящих линиях, при этом номер линии и номер логического канала заносятся в таблицу путевых номеров. Таким образом, таблица путевых номеров УК при каждом запросе на установление виртуального канала записывается в соответствии с маршрутной матрицей и с учетом занятости определенных логических каналов. В сетях с КП используются также гибридные методы маршрутизации, сочетающие в себе элементы распределенной и централизованной маршрутизации.

Выбор алгоритма маршрутизации

Существенными характеристиками любого алгоритма адаптивной маршрутизации являются:

1) способ рассылки информации, используемой для построения маршрутных матриц УК;

2) период обновления маршрутных матриц.

Затраты на адаптацию складываются из расходов на сбор и рассылку служебной информации о состоянии сети и на вычислительные ресурсы для расчета маршрутных таблиц. Чем больше сеть подвержена резким колебаниям нагрузки и частым изменениям структуры, тем динамичнее должен быть алгоритм маршрутизации и тем чаще возникает необходимость в обмене

служебной информацией о состоянии сети, что приводит к отвлечению значительных ресурсов сети. Для применения оптимальных маршрутных решений на узлах необходимо располагать достоверной информацией о ситуации в сети. Эта информация может включать в себя загруженности узлов коммутации сети, длины очередей (например, в пакетах, заявках, блоках и т.п.) по направлениям связи в узлах, состояние каналов связи и т.д.; степень детализации информации зависит от конкретного алгоритма маршрутизации. Основная сложность, возникающая при этом, заключается в соизмеримости скорости изменения ситуации в сети со скоростью передачи информации об этих изменениях. На узлах при принятии маршрутных решений информация о состоянии сети оказывается устаревшей. Поэтому в большинстве случаев пользуются не мгновенными значениями контролируемых параметров, а их усредненными значениями за некоторый промежуток времени. Это связано с тем, что чрезмерно быстрая реакция на мгновенные колебания нагрузки приводит к неустойчивой работе алгоритма маршрутизации и большим издержкам на обмен служебной и формацией. В общем можно сказать, что вопросы: какие параметры сети контролировать, как часто проводить обмен служебной информацией и что конкретно она должна включать в себя, сколько это потребует связных и вычислительных ресурсов сети, – являются ключевыми при разработке новых алгоритмов адаптивной маршрутизации.

Из рассмотрения адаптивных детерминированных методов маршрутизации следует, что каждый из них ориентирован на решение определенного класса задач. Так основным достоинством адаптивных детерминированных методов (например, метода рельефов) является хорошая адаптация к структурным изменениям, но они малоэффективны при возникновении функциональных изменений (перекосов нагрузки и перегрузок). В то же время статистические методы (например, игровой), обладая достаточной эффективностью при отслеживании функциональных изменений, малоэффективны для адаптации к изменению топологии сети.

Для сетей, в равной степени характеризуемых как структурными, так и функциональными изменениями, задача совмещения в одном комбинированном методе достоинств детерминированных и статистических методов и нивелирование присущих им недостатков является актуальной. К числу таких методов относится стохастическо-детерминированный метод. Несмотря на определяющую роль маршрутизации в деле обеспечения эффективной работы сети связи, в силу сложности процессов, протекающих в системах связи, ни одну из маршрутных стратегий нельзя назвать “наилучшей” вообще. Выбор той или иной стратегии маршрутизации необходимо проводить с учетом особенностей контроля и функционирования конкретной рассматриваемой системы связи, включая характеристики и виды передаваемых потоков информации, размерность сети и ее топологию, объем памяти и производительность управляющих вычислительных комплексов узлов сети, пропускную способность линии связи. В сетях большой размерности (более 100 узлов) обычные стратегии маршрутизации оказываются неэффективными, так как возросший размер маршрутных таблиц (пропорционально числу узлов) обусловливает более высокие накладные расходы, связанные передачей по линии значительного объема служебной информации для коррекции маршрутных таблиц и большую загрузку памяти. Одним из путей решения данной проблемы является использование иерархической маршрутизации. При этом сеть разбивается на области, внутри которых маршруты вычисляются на основе региональных стратегий. Области объединяются посредством межрегиональной сети. В этом случае маршруты, соединяющие пользователей различных областей, представляют собой композицию трех локально оптимальных маршрутов (двух областных и одного межрегионального).