A hálózati réteg forgalomirányítás

Forgalomirányítás A forgalomirányítás (routing) feladata a a csomagok hatékony (gyors) eljuttatása az egyik csomópontból a másikba, illetve a csomagok útjának a kijelölése a forrástól a célállomásig.

A csomagok a hálózati vonalakon keresztül jutnak egy IMP-be, majd az valamilyen irányba továbbküldi a csomagokat. Mivel az ilyen hálózati csomópontok irányítási, továbbküldési kapacitása véges, elképzelhető a csomagok sorban állása a bemenő oldalon. A forgalomirányítási szemléletünket nagyon jól segíti az olyan analógia, ahol a hálózatot a közúti hálózat, míg a csomagokat az autók képviselik. A csomópontok pedig természetesen az útkereszteződések.

Útvonalak kijelölése Vonalkapcsolt hálózatoknál az útvonal kijelölése a hívás felépítésének fázisában történik. Csomagkapcsolt hálózatokban az útvonal kijelölése a)vagy minden csomagra egyedileg történik, b)vagy kialakít egy olyan útvonalat amelyen egy sorozat csomag megy át. Ezért a csomópontoknak ún. routing táblákat kell tartalmaznia, amiben a vele kapcsolatban álló csomópontokra vonatkozó adatok (pl. távolság) be van jegyezve

Topológiák A forgalomirányítás összetettségét alapvetően meghatározza a hálózat topológiája. Például egy csillaghálózatban, mivel a csillag központjában lévő csomóponton keresztül történik az adatátvitel, kizárólag ennek kell rendelkeznie a forgalomirányításhoz szükséges minden információval. Általában elmondható, hogy szabályos elrendezések esetében könnyebb az optimális forgalomirányítási algoritmus kidolgozása. A legtöbb valóságos hálózat lényegesen bonyolultabb topológiájú, szabálytalan szövevényes és sokszor állandóan változó szerkezettel rendelkezik.

Forgalomirányító algoritmusok A forgalomirányító algoritmusok osztályozásának alapjául a következő négy irányítási főfunkciót tekinthetjük: – vezérlésmód; (hogyan?) – döntésfolyamat; (milyen esetben?) – információ-karbantartó folyamat; (hálózati forgalmi ismeretek frissítése) – továbbító eljárás (hogyan jut el a vezérlési információ a csomópontokhoz) Ezek feladata: a forgalomirányítási információk áramlásának szabályozása, a kerülőutak kialakítása, az irányítási információk felújítása valamennyi csomópontban és az útvonalválasztás az adatcsomagok részére.

Forgalomirányítási algoritmus osztályok A forgalomirányítási algoritmusoknak két osztálya van: az adaptív (alkalmazkodó), amely a hálózati forgalomhoz alkalmazkodik, a determinisztikus (előre meghatározott), ahol az útvonal választási döntéseket nem befolyásolják a pillanatnyi forgalom mért vagy becsült értékei.

Ezek alapján alapvetően négy lehetséges vezérlésmód különböztethető meg: 1.determinisztikus forgalomirányítás; olyan rögzített eljárás, amelyet a változó feltételek nem befolyásolnak; 2.elszigetelt adaptív forgalomirányítás, amelynél minden csomópont hoz irányítási döntéseket, de csak helyi információk alapján; 3.elosztott adaptív forgalomirányítás, amelynél a csomópontok információt cserélnek azért, hogy az irányítási döntéseket a helyi és a kapott információkra együtt alapozhassák; 4.központosított adaptív forgalomirányítás, amelynél a csomópontok a helyi forgalmi információikat egy közös irányító központnak jelentik, amely erre válaszul forgalomirányítási utasításokat ad ki az egyes csomópontok részére. Az említetteken kívül bevezethető még egy további forgalomirányítás-típus is, amelyet deltairányításnak neveznek. Ennél az eljárásnál a központi irányító egység munkáját a forgalomirányítási döntésekhez kizárólag abban az esetben használják fel, ha ezek a helyi információkra nem alapozhatók.

A legrövidebb út meghatározása A forgalomirányítás során két pont között meg kell találni a legoptimálisabb útvonalat, amely még egyéb csomópontokat tartalmaz. Az optimális útvonal nem feltétlenül jelenti a fizikailag legrövidebb útvonalat, mivel számos egyéb tényező is befolyásolhatja az optimális választást: lehet például mértéknek a csomópont-átlépések számát tekinteni, lehet azt az időt, hogy mennyi idő alatt jut el a csomag, vagy a vonalhasználat költségeit. Az objektív mérték megállapításához lehet olyan teszteket futtatni az adott szakaszokon amely megadja az átlagos sorbaállási és átviteli késleltetési időt, és ezt tekinti a mértéknek. Általánosan egy adott szakasz mértékét a távolság, az adatátviteli sebesség, az átlagos forgalom, a kommunikációs költség, vagy más egyéb tényezők alapján határozzák meg. Matematikailag a probléma a gráfelmélet segítségével tárgyalható

Determinisztikus forgalomirányítás Olyan forgalomirányító módszerek, amelyeknél nincs szükség semmilyen forgalomirányítási táblára, a hálózati topológia ismeretére, minden csomópont autonóm módon, azonos algoritmus alapján dolgozik. A véletlen forgalomirányító eljárás: a továbbítandó csomagot a csomópont egy ún. véletlen folyamat segítségével kiválasztott az érkező vonaltól eltérő más vonalon küldi tovább. – Ez az eljárás nem garantálja a csomagok kézbesítését, de nagyon egyszerűen realizálható, és nem túl bonyolult hálózatokban jól működhet. Az elárasztásos forgalomirányító eljárás sem igényel semmi ismeretet a hálózatról. – A csomópontok a bejövő csomagot minden vonalra kiküldik, kivéve ahonnan érkezett. – Előnye, hogy a csomag legalább egy példányban mindenképp a legrövidebb úton ér célba. – Ez azonban jelentősen terheli a rendszert, mivel nagyszámú másolat (redundancia) van, és sok felesleges továbbítás történik. – Az algoritmus rendkívül megbízható, és még megsérült rendszer esetén is működőképes. – Katonai alkalmazások esetén előtérbe kerülhet a módszer, mert erősen sérült hálózatban (sok csomópontot kilőnek) is nagy a valószínűsége egy üzenet célba jutásának.

Adaptív forgalomirányító algoritmusok A probléma a hálózat elosztott jellegéből ered. A csomópontoknak amikor irányítási döntéseket hoznak, olyan eseményeket kell figyelembe venniük, amelyek a hálózat távoli részében történtek, és amelyekről vagy egyáltalán nem rendelkeznek semmiféle információval, vagy a meglevő információjuk már időszerűtlen. Az ideális algoritmus sem tudja előre figyelembe venni a jövőben bekövetkező eseményeket

Központi adaptív forgalomirányítás Minden csomópont helyzetjelentést állít össze, és abban a folyó sorhosszakat, a hálózat elemeinek meghibásodásait stb. elküldi a hálózat forgalomirányító központjába (RCC = Routing Controll Center). A központ ezek alapján átfogó képet alakít ki a hálózatról, és valamennyi forgalmi áramlat részére meg tudja határozni a legkedvezőbb útvonalat. Ezeket a legjobb utakat a hálózat csomópontjai forgalomirányítási táblák formájában kapják meg. Azt várhatnánk, hogy a hálózat forgalomirányító központja az optimális utak kiválasztásához a lehető legjobban hasznosítja a hálózat kapacitását. Az elkerülhetetlen időkülönbségek miatt azonban a csomópontokból elinduló állapotjelentések eleve késve érkeznek meg a központba és a távoli csomópontokból ez a késés már jelentős lehet. Így azután a központ olyan információk alapján dolgozik, amely részben már elavultak, és a csomópontok részére is olyan utasításokat ad ki, amelyek még inkább elavultak, amikor célba érnek.

Elszigetelt forgalomirányítás Ilyenkor a forgalomirányítási döntéseket a helyi körülmények alapján hozza a csomópont. Egyszerű algoritmus az ún. “forró krumpli” algoritmus. Ennek az a lényege, hogy a beérkezett csomagot abba kimeneti sorba rakja, amely a legrövidebb, legrövidebb ideig “égeti a kezét”, gyorsan megszabadul tőle, nem foglalkozik az irányokkal Egy másik lehetséges algoritmus a „fordított tanulás” módszere. A hálózatban minden csomópont egy csomagot indít el amely tartalmaz egy számlálót és az elindító azonosítóját. A számláló értéke minden csomóponton történő áthaladáskor megnöveli értékét egyel. Amikor egy csomópont (IMP) egy ilyen csomagot vesz, akkor ezt elolvasva tudja, hogy a csomagot küldő hány csomópontnyi távolságra van tőle. Ha azonban meghibásodás következik be, vagy az optimális útvonal valamelyik része túlterhelődik, akkor ezt az algoritmus nem veszi észre

Elosztott adaptív forgalomirányítás A megvalósított hálózatokban mindeddig legnépszerűbb forgalomirányító eljárás. Az algoritmus fő célkitűzése a legkisebb késleltetéssel járó útvonalak keresése. E célból minden egyes csomópontban egy táblázatot hozunk létre, amely minden célállomáshoz megadja a legkisebb késleltetésű útvonalat, s ezzel együtt a továbbításhoz szükséges idő legjobb becsült értékét. A hálózat működésének kezdetén a késleltetések a hálózat topológiája alapján becsült értékek, később azonban, mihelyt a csomagok célba értek, a becsült késleltetési időket felváltják a hálózatban ténylegesen mért továbbítási idők. A késleltetési táblák adatait a szomszédos csomópontok rendszeresen megküldik egymásnak. Ezután a csomópontok áttérnek a késéseket újraszámító fázisba, amelyben a saját sorhosszaikat és a szomszédos csomópontok által küldött késleltetési értékeket figyelembe veszik.