3.4. Маршрутизация в сетях передачи данных
Под маршрутизацией в сетях передачи данных понимается процесс определения (выбора) пути следования информации от источника к адресату. Основной целью маршрутизации является обеспечение наилучшего пути следования информации с точки зрения ее минимально возможной задержки и максимальной пропускной способности сети. Кроме того, должна обеспечиваться достаточная защита и надежность передачи информации.
Маршрутизация является одной из основных функций сетевого уровня и в общем случае сводится к выбору узлом коммутации пути дальнейшей передачи поступившей на его вход информации. При всей простоте постановки задачи, выбор оптимального маршрута является достаточно сложной задачей, не имеющей однозначного решения для сетей с различной топологией, величиной и характером потока данных. Сложность решения этой задачи обусловлена рядом причин. Во-первых, маршрутизация, как правило, требует координации работы всех узлов сети передачи данных. Во-вторых, система маршрутизации должна справляться с выходом из строя отдельных узлов и линий связи. В-третьих, система должна учитывать перегрузку отдельных областей сети передачи данных и изменять маршруты следования сообщений.
Следует заметить, что основные принципы маршрутизации являются общими для различных видов коммутации, при этом наибольшим разнообразием способов маршрутизации (рис. 3.3) характеризуются сети коммутации пакетов, относительно которых и будем рассматривать данный вопрос.
Рис. 3.3. Основные способы маршрутизации в сетях передачи данных
Принято различать централизованные и децентрализованные (распределенные) способы маршрутизации. В случае централизованного способа маршрутизация осуществляется одним центром управления (менеджером сети), который определяет направление движения пакетов через сеть передачи данных. Узлы коммутации данной сети принимают минимальное участие в маршрутизации и обладают относительно простой структурой. В свою очередь, при увеличении числа узлов возрастает сложность организации централизованного управления сетью передачи данных. Существенным недостатком централизованного управления является прямая зависимость надежности сети от надежности ее менеджера, которая с увеличением сложности последнего имеет тенденцию к снижению. Кроме того, менеджер сети должен иметь оперативную информацию о состоянии сети, так как выход из строя узла или его перегрузка может привести к потере работоспособности всей сети. При распределенном управлении каждый узел самостоятельно, на основе хранящейся в нем управляющей информации, определяет направление передачи пакетов. Это приводит к увеличению сложности узлов коммутации. Однако система обладает более высокой живучестью, так как выход из строя какого-либо узла коммутации не влечет за собой потерю работоспособности всей сети.
Далее, различают простую и табличную маршрутизацию. Простая маршрутизация реализуется без учета топологии и загрузки сети передачи данных и, как правило, отличается низкой эффективностью. При табличной маршрутизации в каждом узле коммутации формируется специальная таблица маршрутов, указывающая, по какому пути может передаваться пакет с заданным адресом, чтобы он в кратчайший срок достиг получателя.
К простой маршрутизации относится случайная и лавинная маршрутизация. Случайная маршрутизация представляет собой метод, при котором пакет передается из узла в любом, случайно выбранном направлении, кроме направления, по которому он поступил в данный узел. Существует конечная вероятность того, что пакет через определенный момент времени достигнет адресата. Метод характеризуется значительным временем доставки пакетов и неэффективным использованием пропускной способности сети. Тем не менее, различные модификации случайной маршрутизации находят применение в сетях с низкой интенсивностью потоков в случае необходимости обеспечения устойчивой работы сети при выходе из строя отдельных ее компонентов. Можно предложить ряд мер, увеличивающих эффективность данного метода маршрутизации, например, при повторном прохождении пакета через узел изменять направление его дальнейшей передачи и тому подобное.
В основе лавинной маршрутизации лежит эффект размножения пакетов, при котором узел, получив пакет, генерирует дополнительные, идентичные с ним пакеты и передает их во всех направлениях, кроме того, по которому поступил пакет. Таким образом, копии пакета единообразно распространяются по сети. Достоинством метода является то, что он обеспечивает минимальную задержку распространения пакетов, поскольку используются все пути через сеть, в том числе и кратчайший, по которому и придет первый пакет. В то же время, при большом числе связей между узлами сильно проявляется эффект размножения, что сказывается на пропускной способности сети. Влияние эффекта размножения пакетов можно уменьшить за счет добавления определенных средств учета прохождения пакетов через узлы коммутации. Например, каждый узел может распознавать повторное попадание в него копии полученного ранее пакета и удалять ее. Таким образом, копии пакетов постепенно исчезают из сети.
Дальнейшим развитием способа простой маршрутизации следует считать маршрутизацию по предыдущему опыту, при которой обеспечивается коррекция первоначально случайно выбранных маршрутов. С этой целью пакеты дополнительно снабжаются счетчиком пройденных узлов, на основании которого формируется адрес следующего узла на пути следования пакета к получателю. Таким образом, на начальном этапе маршрутизации путь следования пакетов может определяться случайным образом или способом лавинного заполнения пакетов, а затем, по мере прохождения следующих пакетов, путь их следования корректируется. После прохождения первого пакета по какому-то маршруту в каждом узле коммутации сохраняется информация об адресе отправителя, получателя предыдущего узла и числе пройденных узлов. При поступлении пакета с теми же значениями адресов отправителя и получателя, но с меньшим значением счетчика пройденных узлов осуществляется корректировка маршрута в узлах коммутации.
Табличные методы маршрутизации, в зависимости от момента формирования таблиц маршрутов, подразделяют на статические и динамические. При статической маршрутизации таблицы маршрутов формируются при генерации сети и в последующем, как правило, не изменяются. И только при изменении конфигурации сети, например, при выходе некоторого узла из строя, осуществляется корректировка соответствующих маршрутов.
К статическим способам маршрутизации относятся фиксированная и маршрутизация способом кратчайшей очереди. При фиксированной маршрутизации для любой пары абонентских систем устанавливаются одиночный или групповой канал передачи данных. В первом случае говорят об однопутевой маршрутизации, так как существует только один маршрут следования пакетов от отправителя к получателю. Это наиболее простой способ маршрутизации, однако он не учитывает возможные аварийные ситуации и реальную загрузку отдельных каналов, что может привести к перегрузке отдельных участков сети при общей недогрузке ее в целом. С целью выравнивания нагрузки на основных (магистральных) каналах передачи данных используют многопутевую маршрутизацию, при которой между смежными узлами коммутации создается группа виртуальных каналов, каждый из которых может назначаться тому или иному пути следования пакетов.
Маршрутизация способом кратчайшей очереди предусматривает наличие для каждого узла коммутации таблицы маршрутов с указанием нескольких вариантов направления движения пакетов, при этом выбор конкретного пути движения осуществляется случайным образом. Поскольку данный способ характеризуется относительно малой эффективностью, то в таком варианте он используется относительно редко. С целью повышения эффективности данного способа маршрутизации определенным образом устанавливают приоритеты направлений передачи данных. Затем, при выборе канала передачи, узел коммутации просматривает в порядке уменьшения приоритета перечень допустимых путей передачи и выбирает первый свободный канал, что обеспечивает оптимальный путь движения пакета с минимальной задержкой его в промежуточных узлах. Благодаря относительной простоте и достаточной эффективности рассматриваемый способ часто используется в сетях коммутации пакетов, в частности, в сетях с низкой надежностью коммутационных систем.
Наиболее эффективными, но и, пожалуй, самыми сложными являются способы динамической (адаптивной) маршрутизации, при которой содержимое таблиц маршрутов изменяется в зависимости от состояния и загрузки каналов передачи данных и узлов коммутации. Для адаптации к изменению нагрузки каждый узел коммутации должен обладать определенной информацией о состоянии сети передачи данных и, в первую очередь, о ее топологии, интенсивности потоков данных и задержках (очередях) в узлах коммутации. Эта информация отслеживается (собирается) с помощью специальных управляющих пакетов, которыми обмениваются узлы коммутации. Качество маршрутизации во многом зависит от оперативности обновления управляющей информации. В общем случае оптимальная маршрутизация достигается при наличии информации о мгновенном состоянии сети и ее загрузке. Однако, это, как правило, приводит к значительному увеличению потока управляющих пакетов в сети передачи данных и, в конечном итоге, к снижению ее эффективности. Как уже отмечалось, адаптивная маршрутизация представляет собой достаточно сложный процесс, включающий:
формирование маршрутов, осуществляемое с помощью алгоритмов маршрутизации путем составления в каждом узле коммутации таблиц маршрутов пакетов;
реализацию маршрутов, представляющую собой процесс управления пакетами при движении их по подсети связи до требуемого места назначения, осуществляемую с помощью специальных протоколов сетевого уровня;
контроль состояния сети, в том числе анализ топологии сети, структуры потоков и задержек в узлах коммутации;
передачу информации о состоянии сети, используемую для корректировки таблиц маршрутов;
корректировку маршрутов.
В зависимости от выбранной стратегии корректировки маршрутов различают: централизованную, локальную, распределенную и гибридную маршрутизацию.
В случае централизованной адаптивной маршрутизации каждый узел сети подготавливает и в определенный момент передает менеджеру сети информацию о своей загрузке. На основании этой информации менеджер составляет глобальную картину состояния сети, используемую для определения наилучших маршрутов следования пакетов. В качестве основного критерия оптимальности маршрута выступает время задержки передачи пакетов. После вычисления оптимальных путей менеджер для каждого узла коммутации формирует таблицы маршрутов, которые затем рассылаются по соответствующим узлам сети передачи данных.
В зависимости от способа сбора информации о состоянии сети и рассылки управляющих директив процесс маршрутизации может быть синхронным или асинхронным. В первом случае сбор информации и посылка управляющих директив осуществляются через регулярные интервалы времени. Во втором случае эти процедуры осуществляются только при существенных изменениях сети передачи данных. Как правило, при синхронном режиме осуществляется более интенсивный режим обмена служебной информацией, а при асинхронном режиме необходим постоянный контроль изменений состояния сети. В любом случае на менеджере сети лежит основная нагрузка по формированию маршрутов, которая резко возрастает с увеличением числа узлов сети передачи данных. Общим недостатком централизованных методов маршрутизации является потеря управления сетью при выходе из строя менеджера сети, вероятность выхода из строя которого возрастает с увеличением нагрузки на него. Кроме этого, задержки, вызванные обменом и обработкой большого объема управляющей информации, приводят к снижению эффективности управления сетью, особенно при быстром изменении потоков данных.
Этих недостатков лишены методы распределенного управления маршрутизацией, которые и нашли наиболее широкое применение в современных глобальных компьютерных сетях.
При распределенной адаптивной маршрутизации каждый узел коммутации сам формирует свою таблицу маршрутов, используя для этого информацию, получаемую от всех узлов, находящихся на возможных путях к получателю. Узлы обмениваются информацией о своем состоянии, временных задержках и очередях пакетов. При выборе маршрутов дополнительно учитывается время, которое потребовалось для получения положительных подтверждений на предыдущие пакеты. Таким образом, любое существенное отклонение от исходного состояния сразу же передается смежным узлам для коррекции их таблиц маршрутов.
Одним из простейших вариантов распределенной маршрутизации является локальная адаптивная маршрутизация, при которой узел коммутации практически сам выбирает маршруты передачи пакетов, не получая информации от других узлов. Таблицы маршрутов загружаются заранее централизованным способом. В дальнейшем маршрут выбирается на основе сведений о длине выходных очередей и топологии сети передачи данных. Пакет направляется по кратчайшему пути с минимальной длиной выходной очереди.
В целом локальная адаптивная маршрутизация обеспечивает высокую гибкость работы сети передачи данных, быстрый и эффективный метод решения проблемы обхода неисправных или перегруженных узлов. В то же время она характеризуется сложностью программы формирования и обработки таблицы маршрутов, вероятностью "автоколебания" и потери пакета при движении его во время изменений таблиц маршрутов.
Наиболее эффективным методом маршрутизации следует считать гибридную маршрутизацию, соединяющую положительные черты локальной и централизованной маршрутизации. Примером является "дельта - маршрутизация", при которой менеджер с определенным запаздыванием следит за глобальной ситуацией в сети, в то время как всем остальным узлам предоставлена определенная свобода действия для того, чтобы они могли быстро и независимо реагировать на локальные колебания нагрузки сети и изменения состояний ее отдельных компонентов.
Одной из основных задач большинства способов маршрутизации является нахождение кратчайшего пути между отправителем и получателем информации. В качестве критерия длины пути может выступать время или стоимость передачи информации. К наиболее распространенным алгоритмам выбора кратчайшего пути относятся алгоритмы Дейкстры и Форда-Фалкерсона. Результаты работы данных алгоритмов в равной степени могут использоваться для формирования таблиц маршрутов как для централизованного, так и для распределенного алгоритмов маршрутизации.
Алгоритмы Дейкстры и Форда-Фалкерсона послужили основой для создания множества современных алгоритмов маршрутизации.