2. 1. Управление сетевым трафиком
Увеличение количества пользователей в сети и появление
трафика от разных приложений заставляет оператора:
• более тщательно изучать характеристики трафика,
• более эффективно использовать полосу пропускания
магистральных интерфейсов
• использовать более совершенные методы управления
трафиком.
Управление трафиком является основным инструментом для
управления качеством оказываемых услуг(гарантии QoS).
К управляемым ресурсам и средствам управления относятся:
• управление очередями
• управление пропускной способностью
• управление маршрутизацией
• управление тарифами
3. 2. Общие положения
В данной презентации рассмотрены подходы к
классификации методов и алгоритмов выбора маршрутов,
применяемые для установления соответствующих путей и
формирование маршрутных таблиц в каждом узле.
Максимальный коммерческий эффект от сети не может быть
получен без оптимального использования всех сетевых
ресурсов – в первую очередь пропускной способности
каналов связи.
Работу пакетной сети можно считать эффективной, когда
каждый ресурс загружен, но не перегружен.
Это значит, что коэффициент использования ресурса должен
приближаться к единице, но не настолько, чтобы очереди
пакетов к нему – неизбежное явление в пакетных сетях –
были постоянно большими, приводя к задержкам и
потерям из-за переполнения внутренних буферов в
маршрутизаторах.
Оптимизация сетевых ресурсов за счет использования
динамических методов маршрутизации позволяет выжать
из сети максимум возможного.
5. 3. Сетевой уровень OSI
Сетевой уровень выполняет следующие функции:
1. маршрутизация и ретрансляция;
2. установление и разрушение соединений сетевого
уровня (сигнализация, управление
соединениями);
3. мультиплексирование на сетевом уровне;
4. обнаружение ошибок;
5. восстановление при ошибках;
6. упорядочение блоков данных;
7. управление потоком данных (очередями);
8. передача срочных служебных данных;
9. административное управление сетевым уровнем.
6. 4. Типы сетевых услуг (Network Services)
Существует два способа предоставления услуг
транспортировки информации по
телекоммуникационным сетям:
– CLNS – Connection Less Network Services
(дейтаграммный способ)
– CONS – Connection-oriented Network Services
(способ с виртуальными каналами)
В первом случае, каждый узел, на который приходит пакет,
определяет следующий узел, на который следует отправить
пакет (коммутация или маршрутизация пакетов).
Во втором случае виртуальные каналы определяются перед
началом передачи информации (коммутация или
маршрутизация вызовов).
7. Особенности CLNS
• Каждый пакет маршрутизируется независимо
• Каждый пакет включает адрес назначения
• Не гарантируется доставка пакетов
(дейтаграмм) без потерь
• Не гарантируется порядок доставки пакетов
8. Особенности CONS
• Для каждого соединения устанавливается
отдельный путь.
• Сеть гарантирует порядок доставки пакетов.
• Нет потерь или дублирования пакетов
• Если что-нибудь идет не так, как надо,
соединение разрушается
• Можно ограничить число соединений
• Сеть может гарантировать полосу при
установлении соединения
• Сеть может отказать в установлении
соединения
9. Преимущества CLNS
• Не требуется время на установление соединения
• Намного более простое ПО хоста и
маршрутизатора на сетевом уровне (не требуются
сигнальные протоколы)
• Много приложений не требуют соблюдения
порядка доставки пакетов
• Т.к. трафик многих служб резко неравномерный, то
резервирование ресурсов (полосы, канала) в
режиме CONS – расточительно
• Для многих служб – лучше обеспечить, не очень
качественное обслуживание чем ограничить
доступ к сети.
• Маршрутизатор может быть перегруженным при
слишком многих соединениях CONS
10. Преимущества CONS
• Для многих приложений требуется
соблюдение последовательности доставки
пакетов, что гарантируется только режимом
CONS
• Более быстрые Маршрутизаторы. Как
только соединение установлено,
маршрутизатор обрабатывает уже не весь
сетевой заголовок, а только короткие метки
• Иногда лучше обеспечить унифицированное
обслуживание для некоторых служб, чем
ухудшить обслуживание для всех
• Проще реализовать функции транспортного
уровня, при этом есть возможность
вычислять и гарантировать задержку из-
конца-в-конец
11. Реализация режимов CONS/CLNS
Указанные два способа доставки информации
могут быть реализованы на любом из трех
нижних уровней OSI, однако для
физического уровня – характерен только
режим CONS – с предварительным
установлением физического соединения.
На втором уровне используются оба способа.
Приведем технологии, обеспечивающие
CONS: ATM, FR, LAP-x, MPLS, VLAN и
технологии, использующие режим CLNS –
Ethernet.
На сетевом уровне режим CONS
поддерживается протоколами X.25, SCCP, а
режим CLNS – протоколами IP, MTP-3.
12. 5. Задачи маршрутизации
Итак, основной функцией на сетевом уровне модели
OSI является Функция Маршрутизации.
Оптимизация выбора маршрута позволяет увеличить
объем пропускаемого трафика, а это и есть цель
любого оператора – передать по сети
максимальный объем трафика при
допустимом качестве обслуживания.
В общедоступном значении слова маршрутизация
означает процесс определения маршрута
передачи информации через сеть между
источником (исходящим пунктом) и получателем
(пунктом назначения).
Таким образом, маршрутизация есть процесс
распределения информационных потоков в сети
связи.
13. 5. Задачи маршрутизации
Маршрутизация (Routing). Основные понятия.
Маршрутизация – процесс определения в
коммуникационной сети (наилучшего) пути,
по которому пакет может достигнуть адресата.
Маршрутизация сводится к выбору интерфейса и
следующего транзитного узла при
продвижении пакета между сетями.
Маршрутизацию выполняют специальные
устройства – сетевые маршрутизаторы
(Router).
14. 6. Алгоритмы выбора маршрутов
В больших составных сетях всегда существует несколько
альтернативных маршрутов между двумя конечными
узлами, поэтому встает задача определения лучшего
(оптимального) маршрута из нескольких возможных.
Выбор маршрута осуществляется на основании анализа
следующей информации:
• сетевого адреса в заголовке дейтаграммы (текущая,
динамическая информация),
• информации о конфигурации сети (статическая или
динамическая информация),
• критерия выбора (метрики маршрута – статическая или
динамическая информация).
Лучший маршрут – это маршрут с наименьшей метрикой.
Для сетей связи с коммутацией каналов наиболее
универсальным и широко используемым критерием
является длина пути, в частности, длина пути по числу
транзитных участков, а для сетей с коммутацией пакетов –
время передачи (задержки).
15. Алгоритмы выбора маршрутов
Определение маршрута передачи информации происходит
программно (средствами операционной системы и
специализированных приложений).
В решении задач маршрутизации программными средствами
есть недостатки:
1. Маршрутизаторы более дороги, чем аппаратные
коммутаторы
2. Программное решение функций – более медленно, чем
аппаратное
Однако, преимущества программных средств более
значительны:
1. Гибкость настройки параметров маршрутизатора
2. Гибкость модификации
Соответствующие программные средства носят названия
протоколов маршрутизации.
Логика их работы основана на алгоритмах маршрутизации.
Алгоритмы маршрутизации вычисляют стоимость доставки и
выбирают путь с меньшей стоимостью (метрикой).
16. Алгоритмы выбора маршрутов
Основным результатом работы алгоритма маршрутизации
является создание и поддержка таблицы маршрутизации,
в которую записывается вся маршрутная информация.
Содержание таблицы маршрутизации зависит от
используемого протокола маршрутизации.
В общем случае таблица маршрутизации содержит
следующую информацию:
• действительные адреса устройств в сети;
• служебную информацию протокола маршрутизации;
• адреса ближайших маршрутизаторов (сетевых узлов);
• показатели, несущие информацию о предпочтениях в
выборе какого-либо направления связи (метрики).
С таблицами маршрутизации созвучно такое понятие, как
план распределения информационных потоков, который
описывает на каждом сетевом узле порядок выбора
направлений для установления соединений ко всем
остальным узлам.
17. Алгоритмы выбора маршрутов
Основные требованиями, предъявляемые
к алгоритму маршрутизации:
• Оптимальность выбора маршрута.
• Простота реализации и низкие
непроизводительные затраты.
• Устойчивость.
• Быстрая сходимость.
• Гибкость.
18. Алгоритмы выбора маршрутов
Оптимальность выбора маршрута является
основной целью разработки алгоритма.
Она характеризует способность алгоритма
маршрутизации выбирать "наилучший" маршрут.
Наилучший маршрут зависит от показателей
(метрик), используемых при выборе маршрута.
Протоколы маршрутизации должны строго
определять свои алгоритмы расчета показателей.
19. Алгоритмы выбора маршрутов
Простота реализации и низкие
непроизводительные затраты.
Алгоритмы маршрутизации должны разрабатываться
как можно более простыми.
Другими словами, алгоритм маршрутизации должен
эффективно обеспечивать свои функциональные
возможности, с минимальными затратами
программного обеспечения.
Эти затраты определяют стоимость ПО, стоимость
процессоров, производительность
(быстродействие) маршрутизатора как сетевого
узла, работающего в реальном времени.
20. Алгоритмы выбора маршрутов
Алгоритмы маршрутизации должны обладать
устойчивостью.
Другими словами, они должны четко
функционировать в случае непредвиденных
обстоятельств, таких как отказы
аппаратуры, условия высокой нагрузки и
ошибки в построении сети.
Часто наилучшими алгоритмами
маршрутизации оказываются именно те,
которые выдержали испытание временем и
доказали свою надежность в различных
условиях работы сети.
21. Алгоритмы выбора маршрутов
Быстрая сходимость также является важной
характеристикой алгоритмов маршрутизации.
Сходимость – это процесс согласования таблиц
между всеми сетевыми узлами по оптимальным
маршрутам.
Когда какое-нибудь событие в сети приводит к тому,
что маршруты или отвергаются, или становятся
доступными, сетевые узлы рассылают сообщения
об обновлении маршрутизации.
Сообщения об обновлении маршрутизации
пронизывают сети, стимулируя пересчет
оптимальных маршрутов и, в конечном итоге,
вынуждая все узлы придти к соглашению по этим
маршрутам.
Алгоритмы маршрутизации, которые сходятся
медленно, могут привести к образованию
петель маршрутизации или выходам из строя
сети.
22. Алгоритмы выбора маршрутов
Алгоритмы маршрутизации должны также обладать
гибкостью.
Другими словами, алгоритмы маршрутизации
должны быстро и точно адаптироваться к
разнообразным событиям в сети.
Алгоритмы маршрутизации могут быть
запрограммированы таким образом, чтобы они
могли адаптироваться к изменениям:
• полосы пропускания сети,
• размеров очереди к узлу,
• величины задержки и других переменных
23. Алгоритмы выбора маршрутов
Алгоритмы маршрутизации могут быть
классифицированы по разным признакам.
Например, алгоритмы могут быть:
• статическими или динамическими;
• одномаршрутными или многомаршрутными;
• одноуровневыми или иерархическими;
• с интеллектом, сосредоточенным в главном узле или
распределенным по отдельным маршрутизаторам
(централизованные или распрелеленные);
• внутридоменными и междоменными;
• одноадресными или групповыми (многоадресными);
• алгоритмами состояния канала или вектора
расстояний.
24. Показатели алгоритмов (метрики)
Маршрутные таблицы содержат информацию,
которую используют программы коммутации
для выбора наилучшего маршрута.
В алгоритмах маршрутизации используется
много различных показателей (критериев
выбора).
Сложные алгоритмы маршрутизации при
выборе маршрута могут базироваться на
множестве показателей, комбинируя их
таким образом, что в результате получается
один отдельный (гибридный) критерий.
25. Показатели алгоритмов (метрики)
Ниже перечислены основные критерии
выбора, которые используются в
алгоритмах маршрутизации:
• Длина маршрута.
• Надежность.
• Задержка.
• Ширина полосы пропускания.
• Нагрузка.
• Стоимость маршрута.
26. Алгоритмы выбора маршрутов
В больших сетях главная проблема состоит в том,
чтобы получить текущее состояние каждого
маршрута, чтобы остановиться на лучшем
маршруте для пакета.
Однако, состояние соединений является величиной
случайной и постоянно меняющейся.
В этом случае количество модификаций
маршрутизации может быть очень большим и
алгоритм вычисления оптимального маршрута
никогда не сойдется.
27. Алгоритмы выбора маршрутов
Методы маршрутизации делятся на :
• Централизованные (от источника), когда
решающие функции закреплены за одним
узлом, который посылает соответствующие
команды другим узлам;
• Децентрализованные (от узла к узлу),
когда каждый узел самостоятельно
выбирает маршрут передачи (или ее
направление) на основе собственной
информации.
28. Алгоритмы выбора маршрутов
В зависимости от способа формирования таблиц
маршрутизации алгоритмы маршрутизации
делятся на два класса :
• алгоритмы фиксированной или статической
маршрутизации;
• алгоритмы адаптивной (динамической)
маршрутизации.
В алгоритмах фиксированной или статической
маршрутизации таблицы маршрутизации (ТМ -
RT) строятся и обновляются администратором
вручную без участия протоколов маршрутизации.
29. Алгоритмы выбора маршрутов
Адаптивные протоколы обмена
маршрутной информацией делятся на
три группы:
• дистанционно-векторные алгоритмы (DVA
– Distance Vector Algorithms) – основаны на
алгоритме Беллмана-Форда
• алгоритмы состояния связей (LSA – Link
State Algorithms) – основаны на алгоритме
Дейкстры
• алгоритмы на основе политик (правил) –
наиболее оптимальные алгоритмы,
учитывающие ряд ограничений,
накладываемых администратором сети
30. Алгоритмы выбора маршрутов
Наиболее распространенный протокол класса DVA –
RIP (Routing Information Protocol).
В протоколах класса DVA достаточно много времени
затрачивается на перенос изменений топологии
сети в маршрутную базу данных (проблема
медленной сходимости), поэтому применение
данного протокола при решении задачи
администрирования достаточно крупной сети не
рекомендуется.
31. Алгоритмы выбора маршрутов
Алгоритм DVA прост и, на первый взгляд, надежен.
К сожалению, он работает наилучшим образом в
небольших сетях при отсутствии избыточности.
Крупные сети не могут обойтись без периодического
обмена сообщениями для описания сети, однако
большинство из них избыточны.
По этой причине сложные сети испытывают проблемы
при выходе линий связи из строя из-за того, что
несуществующие маршруты могут оставаться в
таблице маршрутизации в течение длительного
периода времени.
Трафик, направленный по такому маршруту, не
достигнет своего адресата.
Данная проблема решаема, но ни одно из таких решений
не является простым.
32. Алгоритмы выбора маршрутов
Некоторые из этих проблем решаются
усовершенствованным алгоритмом под
названием алгоритм диффузионного
обновления (DUAL), при этом
маршрутизаторы используют алгоритм длины
вектора для составления карты путей между
ними и DUAL для широковещательного
объявления об обслуживаемых ими
локальных сетях.
Информация об изменениях в топологии также
рассылается по всей сети. Примером такого
усовершенствованного протокола может
служить Cisco Enhanced IGRP.
33. Алгоритмы выбора маршрутов
Более совершенны протоколы класса LSA.
В них единицей обмена служит описание состояния
связи, а маршрутная таблица строится в каждом
узле на основании полученного множества таких
описаний.
При изменении топологии сети измененные или
новые описания состояний связи быстро
распространяются по всей сети, и сходимость
получается выше.
Однако, для реализации таких протоколов в
маршрутизаторах требуется дополнительная
память (для хранения множества описаний
состояния связей) и большое быстродействие
(для быстрого построения графов).
Примером протокола класса LSA может служить
протокол OSPF (Open Shortest Path First).
34. Алгоритмы выбора маршрутов
Протокол OSPF предназначен для обмена
информацией о маршрутизации в больших и
очень больших сетях.
Для вычиления маршрутов в таблице
маршрутизации OSPF использует алгоритм
выбора кратчайшего пути (SPF).
Алгоритм SPF вычисляет кратчайший (имеющий
наименьшую стоимость) путь между
маршрутизатором и всеми сетями
объединенной сети.
35. Алгоритмы выбора маршрутов
Вместо того чтобы обмениваться записями таблиц
маршрутизации, как это делают RIP-
маршрутизаторы, OSPF-маршрутизаторы хранят
схему объединенной сети, обновляя ее после
каждого изменения топологии сети.
Эта схема, называемая базой данных состояния связей,
синхронизируется между всеми OSPF-
маршрутизаторами и используется для вычисления
маршрутов в таблице маршрутизации.
Соседние OSPF-маршрутизаторы образуют логическую
связь между маршрутизаторами для синхронизации
базы данных состояния связей.
Изменения в топологии сети эффективно
распространяются по сети, обеспечивая
синхронизацию и актуальность базы данных
состояния связей на всех маршрутизаторах.
36. Алгоритмы выбора маршрутов
OSPF имеет следующие преимущества перед
RIP:
• маршруты, вычисленные OSPF, не могут быть
циклическими;
• OSPF обеспечивает масштабируемость для
больших и очень больших объединенных
сетей;
• более быстрая перенастройка при изменении
топологии сети
• даже в очень больших сетях OSPF мало
загружает сеть своим трафиком
37. Алгоритмы выбора маршрутов
Недостатком таких протоколов, как OSPF является их
сложность и высокие требования к памяти.
Они трудны в реализации и нуждаются в значительном
объеме памяти для хранения объявлений о
состоянии каналов.
По мере увеличения размера базы данных состояния
связей увеличивается и требуемый объем памяти, а
также время, необходимое для пересчета.
Для решения этой проблемы масштабирования OSPF
делит объединенную сеть на области (совокупности
соединенных сетей), которые связаны друг с другом
через магистральную область.
Каждый маршрутизатор хранит базу данных состояния
связей только для тех областей, которые к нему
подключены.
38. Алгоритмы выбора маршрутов
В общем случае маршрутизация выполняется в три
этапа:
• Формирование и коррекция плана распределения
информации (ПРИ), то есть таблиц маршрутизации
для каждого узла коммутации;
• Формирование таблиц коммутации,
обеспечивающих оптимальные маршруты доставки
сообщений пользователей;
• Передача информации пользователя.
Совокупность таблиц маршрутизации на сети
называется планом распределения информации.
Считается, что ПРИ задан, если определены все
таблицы маршрутизации для каждого узла
коммутации.
39. Алгоритмы выбора маршрутов
В настоящее время существует три основных
способа формирования плана распределения
информации:
1. метод рельефов,
2. игровой и
3. логический а также
4. совмещенный метод – логически-игровой.
40. Алгоритмы выбора маршрутов
Метод рельефов:
• Достоинства:
– полная информация о состоянии сети на момент
формирования рельефа,
– можно определить исходящие линии связи (ИЛС) не только
первого, но и второго, третьего и последующего выбора.
• Недостатки:
– большая загруженность сети, в случае ввода в эксплуатацию
новых УК и
– в случае загруженности или неисправности сети потребуется
переформировать ТМ.
41. Алгоритмы выбора маршрутов
Игровой метод:
• Достоинства:
– нет необходимости передачи служебной информации при
формировании ПРИ,
– оптимизация по критерию – вероятность установления
соединения между парой узлов.
• Недостатки
– это инерционность, а также
– необходимость передачи служебной информации о
переформировании ТМ при вводе в эксплуатацию новых
узлов.
42. Алгоритмы выбора маршрутов
Логический метод.
• Достоинства:
– отсутствие служебной информации,
– простота алгоритма вычислений исходящей ЛС позволяет
уменьшить объем оперативной памяти, так как нет
необходимости использовать ТМ,
– упрощается процедура маршрутизации и ввода в
эксплуатацию новых узлов.
• Недостатки:
– при выходе из строя элемента сети, то это явление не будет
отмечено никакой информацией, так как этот метод не
является динамическим,
– не учитываются возможности ранее забракованных из-за
загруженности, но более предпочтительные направления.
43. Алгоритмы выбора маршрутов
Логически-игровой метод.
• Логически-игровой метод – это объединение двух
методов: логического и игрового.
• Данный метод вобрал в себя достоинства обоих
методов:
– отсутствие необходимости передачи служебной информации
на сети при формировании (во время ввода в эксплуатацию
УК), и переформирования уже в процессе эксплуатации УК
таблиц маршрутизации.
– решение задач глобальной оптимизации сети связи по
критерию – формирование ПРИ по накопленной ранее
статистике установления соединения между заданной парой
УК.
44. Алгоритмы выбора маршрутов
Анализ достоинств и недостатков различным методов маршрутизации
представляет сложную системотехническую задачу, и может быть
проведен только для конкретных сетей. Обмен информацией,
используемой в процессе выбора маршрута, осуществляется с
помощью протоколов сигнализации.
Расширение вычислительных возможностей современных управляющих
устройств, позволяет в современных сетях реализовывать сложные
алгоритмы маршрутизации, использующие комбинацию нескольких
критериев оптимальности в реальном масштабе времени и развитые
протоколы сигнализации, позволяющие обмениваться полноценной
маршрутной информацией.
На данном этапе телефонные сети используют только статическую
маршрутизацию, что не позволяет оптимизировать трафик в ТфОП.
Переход к сетям следующего поколения (NGN), предполагает перевозку
любых видов информации, включая речевую по единой,
универсальной транспортной пакетной сети. При этом появляются
принципиальные возможности оптимизации трафика за счет
динамической маршрутизации.
