ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Δίκτυα Υπολογιστών Δίκτυα Μεταγωγής Διδάσκων : Επίκουρος Καθηγητής Ε Παπαπέτρου

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς

Δίκτυα Υπολογιστών Δίκτυα Μεταγωγής και Διαδίκτυα Ευάγγελος Παπαπέτρου Τμ Μηχ Η/Υ & Πληροφορικής, Παν Ιωαννίνων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 1 / 91

Διάρθρωση 1 Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου 2 Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Δρομολόγηση προέλευσης Γέφυρες και μεταγωγή LAN 3 Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Ιεραρχική δρομολόγηση Άλλες μορφές δρομολόγησης 4 Έλεγχος συμφόρησης και κατανομή πόρων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 2 / 91

Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου Διάρθρωση 1 Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου 2 Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Δρομολόγηση προέλευσης Γέφυρες και μεταγωγή LAN 3 Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Ιεραρχική δρομολόγηση Άλλες μορφές δρομολόγησης 4 Έλεγχος συμφόρησης και κατανομή πόρων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 3 / 91

Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου Δίκτυα άμεσου συνδέσμου και περιορισμοί Τα δίκτυα άμεσου συνδέσμου διέπονται από σημαντικούς περιορισμούς: περιορισμένο πλήθος υπολογιστών υπηρεσίας μπορεί να δικτυωθεί αιτία: το εύρος ζώνης για κάθε υπολογιστή υπηρεσίας μειώνεται με το πλήθος των συνδεδεμένων υπολογιστών πχ στο Ethernet μπορούν να συνδεθούν μέχρι 1024 υπολογιστές ένα δίκτυο μπορεί να εξυπηρετήσει μια γεωγραφική περιοχή με περιορισμένο μέγεθος αιτία: η λειτουργία των μηχανισμών πρόσβασης επηρεάζεται από τις ταχύτητες διάδοσης και μετάδοσης πχ, στο Ethernet η μέγιστη απόσταση δικτύωσης είναι 2500m Για τους παραπάνω λόγους τα δίκτυα άμεσου συνδέσμου χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση μόνο τοπικών δικτύων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 4 / 91

Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου Δίκτυα Μεταγωγής (1/2) Τα δίκτυα άμεσου συνδέσμου δεν είναι επεκτάσιμα ή κλιμακώσιμα (scalable) οι τεχνολογίες άμεσου συνδέσμου δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την υλοποίηση μεγάλης κλίμακας και παγκόσμιων δικτύων Λύση: διασύνδεση πολλών συνδέσμων μέσω ενός υπολογιστή ειδικού σκοπού που ονομάζεται μεταγωγέας (switch) Ένας μεταγωγέας προωθεί ή μετάγει δεδομένα από μία είσοδο (σύνδεσμο) σε μία έξοδο (σύνδεσμο) η διαδικασία ονομάζεται μεταγωγή (switching) και πολλές φορές αναφέρεται και με τον όρο προώθηση (forwarding) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 5 / 91

Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου Δίκτυα Μεταγωγής (2/2) Πλεονεκτήματα τοπολογίας αστέρα: μπορούν να διασυνδεθούν πολλοί μεταγωγείς ώστε να υλοποιηθούν δίκτυα πολλών υπολογιστών η γεωγραφική περιοχή ενός δικτύου μπορεί να είναι μεγάλη επειδή η διασύνδεση υπολογιστών και μεταγωγέων γίνεται με συνδέσεις από σημείο σε σημείο (point-to-point) η σύνδεση νέων υπολογιστών δε συνεπάγεται κατ ανάγκη τη μείωση της απόδοσης του δικτύου για τους άλλους υπολογιστές Ένας μεταγωγέας εισάγει την τοπολογία αστέρα ενώ ο συνδυασμός πολλών μεταγωγέων δημιουργεί μια τοπολογία mesh ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 6 / 91

Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου Δίκτυα Μεταγωγής και Διαδίκτυα Τα δίκτυα που δημιουργούνται με τη χρήση μεταγωγέων ονομάζονται δίκτυα μεταγωγής Επίσης οι μεταγωγείς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διασυνδέσουν: δίκτυα άμεσου συνδέσμου όπως πχ δίκτυα Ethernet, Token ring, κλπ δίκτυα μεταγωγής διαφορετικών τεχνολογιών Στην περίπτωση αυτή το δίκτυο ονομάζεται διαδίκτυο (internetwork) Στα δίκτυα μεταγωγής και στα διαδίκτυα μπορούν να υπάρχουν πολλαπλές διαδρομές για την επικοινωνία δύο υπολογιστών η εύρεση της βέλτιστης διαδρομής επιτυγχάνεται με το μηχανισμό της δρομολόγησης (routing) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 7 / 91

Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου Λειτουργία Μεταγωγέα Ένας μεταγωγέας διαθέτει πολλές εισόδους και εξόδους που ονομάζονται θύρες (ports) κάθε σύνδεσμος μπορεί να αποτελεί είσοδο και έξοδο οι θύρες διακρίνονται είτε χρησιμοποιώντας αρίθμηση είτε με τη διεύθυνση του υπολογιστή ή του μεταγωγέα στον οποίο οδηγούν Η επικοινωνία σε κάθε σύνδεσμο γίνεται με το κατάλληλο πρωτόκολλο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων ο μεταγωγέας εκτελεί το κατάλληλο πρωτόκολλο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων για να λάβει (μεταδώσει) τα δεδομένα από τον (στον) εισερχόμενο (εξερχόμενο) σύνδεσμο Η λειτουργία του μεταγωγέα προδιαγράφεται από ένα πρωτόκολλο μεταγωγής (switching protocol) το πρωτόκολλο μεταγωγής είναι μέρος του επιπέδου δικτύου (network layer) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 8 / 91

Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου Ανταγωνισμός και Συμφόρηση (1/2) Βασικό πρόβλημα: το εύρος ζώνης των εξόδων ενός μεταγωγέα είναι πεπερασμένο και κοινόχρηστο Ανταγωνισμός (contention): τα δεδομένα που καταφθάνουν από τις εισόδους ανταγωνίζονται για το εύρος ζώνης των εξόδων ωστόσο είναι δυνατό εισερχόμενα δεδομένα να κατευθύνονται σε διαφορετική θύρα εξόδου οπότε δεν υπάρχει ανταγωνισμός ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 9 / 91

Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου Ανταγωνισμός και Συμφόρηση (2/2) Συμφόρηση (Congestion) Η κατάσταση κατά την οποία, για μεγάλο χρονικό διάστημα, το εύρος ζώνης των εξόδων ενός μεταγωγέα δεν είναι αρκετό για την εξυπηρέτηση των εισερχόμενων δεδομένων Η ταχύτητα λειτουργίας ενός μεταγωγέα είναι πάντα πολύ υψηλή ώστε να θεωρείται ότι δεν επηρεάζει το ρυθμό λήψης και προώθησης των δεδομένων Σε δίκτυα που η πληροφορία μεταδίδεται υπό τη μορφή αυτοδύναμων πακέτων (datagrams): τα πακέτα αποθηκεύονται προσωρινά στον μεταγωγέα επειδή ο αποθηκευτικός χώρος είναι πεπερασμένος η συμφόρηση οδηγεί σε απώλεια πακέτων Σε δίκτυα που η πληροφορία μεταδίδεται υπό τη μορφή ροής bit (bitstream) σε συνδέσεις: νέες συνδέσεις δεν μπορούν να γίνουν αποδεκτές και απορρίπτονται ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 10 / 91

Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου Δίκτυα Μεταγωγής και Μοντέλο OSI Η περιγραφή των δικτύων μεταγωγής απαιτεί ένα νέο επίπεδο που ονομάζεται επίπεδο δικτύου (network layer) το επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων δεν είναι αρκετό καθώς οι υπολογιστές δεν είναι άμεσα συνδεδεμένοι Το επίπεδο δικτύου περιγράφει την επικοινωνία υπολογιστών που δεν είναι συνδεδεμένοι στο ίδιο κοινό φυσικό μέσο δηλαδή οι υπολογιστές δεν μπορούν να επικοινωνήσουν με ένα άλμα (one hop) αλλά η επικοινωνία τους απαιτεί πολλαπλά άλματα (multihop communication) Οι μηχανισμοί που περιγράφει το επίπεδο δικτύου είναι: διευθυνσιοδότηση (addressing) μεταγωγή (switching) δρομολόγηση (routing) έλεγχος συμφόρησης (congestion control) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 11 / 91

Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου Διευθυνσιοδότηση Σε όλα τα δίκτυα υπάρχει η ανάγκη αναγνώρισης των κόμβων με μοναδικό τρόπο πχ, στο Ethernet χρησιμοποιούνται διευθύνσεις των 48 bit Απαίτηση: οι διευθύνσεις πρέπει να έχουν το ρόλο ενός καθολικά μοναδικού αναγνωριστικού (global unique identifier, GUID) Η διευθυνσιοδότηση στο επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων δεν είναι αρκετή και επομένως απαιτείται και στο επίπεδο δικτύου σε ένα δίκτυο μεταγωγής ή ένα διαδίκτυο μπορεί να συνυπάρχουν διαφορετικές τεχνολογίες άμεσης διασύνδεσης (πχ, Ethernet, PPP, κλπ) που χρησιμοποιούν διαφορετικούς τρόπους διευθυνσιοδότησης ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 12 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Διάρθρωση 1 Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου 2 Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Δρομολόγηση προέλευσης Γέφυρες και μεταγωγή LAN 3 Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Ιεραρχική δρομολόγηση Άλλες μορφές δρομολόγησης 4 Έλεγχος συμφόρησης και κατανομή πόρων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 13 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Είδη Μεταγωγής (1/2) Βασικό ζήτημα στη μεταγωγή: Με ποιό τρόπο ο μεταγωγέας αποφασίζει τη θύρα εξόδου Ο τρόπος λήψης της απόφασης καθορίζει και την τεχνική μεταγωγής Οι τεχνικές μεταγωγής αποτελούνται από: τις τεχνικές που εφαρμόζονται σε δίκτυα αυτοδύναμων πακέτων (datagrams) τη μεταγωγή κυκλώματος (circuit switch) η μεταγωγή κυκλώματος έχει εφαρμοστεί παραδοσιακά στα τηλεφωνικά δίκτυα όπου η πληροφορία μεταφέρονταν με τη μορφή ροής δεδομένων ή αναλογικά Τα δίκτυα υπολογιστών είναι δίκτυα αυτοδύναμων πακέτων και για το λόγο αυτό θα εστιάσουμε στις αντίστοιχες τεχνικές μεταγωγής ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 14 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Είδη Μεταγωγής (2/2) Στα δίκτυα αυτοδύναμων πακέτων δύο είναι οι σημαντικότερες τεχνικές μεταγωγής: μεταγωγή πακέτου (packet switching) αποτελεί την ασυνδεσμική (connectionless) προσέγγιση μεταγωγή εικονικού κυκλώματος (virtual circuit switching) αποτελεί τη συνδεσμοστρεφή (connection-oriented) προσέγγιση είναι επέκταση της τεχνικής μεταγωγής κυκλώματος για εφαρμογή σε δίκτυα αυτοδύναμων πακέτων Μια τρίτη αλλά λιγότερο σημαντική τεχνική μεταγωγής είναι η δρομολόγηση προέλευσης (source routing) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 15 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Διάρθρωση 1 Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου 2 Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Δρομολόγηση προέλευσης Γέφυρες και μεταγωγή LAN 3 Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Ιεραρχική δρομολόγηση Άλλες μορφές δρομολόγησης 4 Έλεγχος συμφόρησης και κατανομή πόρων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 16 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Προώθηση πακέτων (1/2) Κάθε πακέτο περιέχει την πλήρη διεύθυνση του προορισμού Σε κάθε μεταγωγέα υπάρχει ένας πίνακας που αντιστοιχίζει τις διευθύνσεις προορισμού με τις θύρες εξόδου του μεταγωγέα ο πίνακας καλείται πίνακας προώθησης (forwarding table) ή πίνακας δρομολόγησης (routing table) ο αλγόριθμος δρομολόγησης είναι υπεύθυνος για την κατασκευή και την διατήρηση του πίνακα προώθησης Για κάθε εισερχόμενο πακέτο ο μεταγωγέας: διαβάζει τη διεύθυνση προορισμού αποφασίζει την εξερχόμενη θύρα χρησιμοποιώντας τη διεύθυνση προορισμού και τον πίνακα προώθησης Η μεταγωγή πακέτου χρησιμοποιείται στο Internet ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 17 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Προώθηση πακέτων (2/2) Example Πίνακας Προώθησης για τον Μεταγωγέα 2 (Switch 2) Προορισμός Θύρα A 3 B 0 C 3 D 3 E 2 F 1 G 0 H 0 ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 18 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Χαρακτηριστικά Μεταγωγής Πακέτου (1/2) Η μεταγωγή πακέτου αποτελεί την ασυνδεσμική (conectionless) προσέγγιση στη μεταγωγή ένας μεταγωγέας δε χρειάζεται να διατηρεί πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση της επικοινωνίας (πληροφορίες κατάστασης, state) δύο κόμβων του δικτύου (stateless προσέγγιση) παραδείγματα πληροφορίων κατάστασης: αναγνωριστικό επικοινωνίας, αριθμοί μη επιβεβαιωμένων πακέτων, κλπ κάθε πακέτο θεωρείται ανεξάρτητο από προηγούμενα πακέτα που έχουν αποσταλεί από τον ίδιο υπολογιστή προέλευσης στον ίδιο υπολογιστή προορισμό Η ασυνδεσμική προσέγγιση χαρακτηρίζεται από χαμηλό κόστος υλοποίησης γιατί δεν απαιτείται: η επικοινωνία των υπολογιστών υπηρεσίας με τους μεταγωγείς για τη εγγραφή και τη διαγραφή των πληροφοριών κατάστασης η διατήρηση και ενημέρωση των πληροφοριών κατάστασης ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 19 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Χαρακτηριστικά Μεταγωγής Πακέτου (2/2) Κάθε υπολογιστής υπηρεσίας μπορεί άμεσα να στείλει ένα πακέτο προς οποιοδήποτε προορισμό προϋπόθεση: υπάρχει ένας έγκυρος πίνακας δρομολόγησης δεν απαιτείται προηγούμενα η επικοινωνία του υπολογιστή με τους μεταγωγείς για την καταγραφή της επικοινωνίας Ένας υπολογιστής υπηρεσίας δεν μπορεί να επιβεβαιώσει την ορθή παράδοση ενός πακέτου ένας μεταγωγέας μπορεί να μην λειτουργεί ή να βρίσκεται σε κατάσταση συμφόρησης ο υπολογιστής προορισμός μπορεί να μην είναι σε λειτουργία Δύο διαδοχικά πακέτα ενδέχεται να ακολουθήσουν διαφορετικές διαδρομές στο δίκτυο αν ο πίνακας προώθησης μεταβληθεί ενδέχεται πακέτα να παραδοθούν εκτός σειράς Η καταστροφή ενός μεταγωγέα ή ενός συνδέσμου ενδέχεται να μην έχει σοβαρή επίπτωση στην επικοινωνία προϋπόθεση: να βρεθεί μια εναλλακτική διαδρομή ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 20 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Διάρθρωση 1 Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου 2 Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Δρομολόγηση προέλευσης Γέφυρες και μεταγωγή LAN 3 Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Ιεραρχική δρομολόγηση Άλλες μορφές δρομολόγησης 4 Έλεγχος συμφόρησης και κατανομή πόρων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 21 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Εισαγωγή Κεντρική ιδέα: η χρήση της έννοιας του εικονικού κυκλώματος (virtual circuit, VC) Η μεταγωγή εικονικού κυκλώματος αποτελεί τη συνδεσμοστρεφή (connection-oriented) προσέγγιση στη μεταγωγή κάθε μεταγωγέας στο μονοπάτι επικοινωνίας δύο κόμβων πρέπει να καταγράψει την επικοινωνία των κόμβων (σύνδεση) όταν αυτοί θέλουν να ανταλλάξουν δεδομένα Η επικοινωνία αποτελείται από δύο στάδια: εγκαθίδρυση της σύνδεσης: στο στάδιο αυτό πρέπει κάθε μεταγωγέας να καταγράψει τις πληροφορίες κατάστασης (state) για μια σύνδεση που πρόκειται να εξυπηρετήσει μεταφορά δεδομένων: μπορεί να ξεκινήσει αφού ολοκληρωθεί η εγκατάσταση της εικονικής σύνδεσης Η μεταγωγή εικονικού κυκλώματος εφαρμόζεται σε γνωστά και επιτυχημένα δίκτυα όπως τα ATM και X25 ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 22 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Αναπαράσταση σύνδεσης Οι πληροφορίες κατάστασης, που αναπαριστούν μια σύνδεση σε ένα μεταγωγέα, αποθηκεύονται ως εγγραφές ενός πίνακα VC και περιλαμβάνουν: ένα αναγνωριστικό εικονικού κυκλώματος (virtual circuit identifier, VCI) για τα εισερχόμενα πακέτα της σύνδεσης τη θύρα εισόδου μέσω της οποίας καταφθάνουν στο μεταγωγέα τα πακέτα της σύνδεσης ένα αναγνωριστικό εικονικού κυκλώματος (virtual circuit identifier, VCI) για τα εξερχόμενα πακέτα της σύνδεσης τη θύρα εξόδου μέσω της οποίας προωθούνται τα πακέτα της σύνδεσης Example Θύρα εισόδου Εισερχόμενο VCI Θύρα εξόδου Εξερχόμενο VCI 2 5 1 11 ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 23 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Προώθηση πακέτων (1/2) Κάθε πακέτο που ανήκει σε μια σύνδεση μεταφέρει ένα αναγνωριστικό εικονικού κυκλώματος, VCI Ο μεταγωγέας, για κάθε πακέτο που φθάνει από μια καθορισμένη θύρα εισόδου και έχει τον καθορισμένο VCI,: αντικαθιστά στο πακέτο την τιμή VCI με αυτήν που καθορίζεται ως εξερχόμενο VCI από τον πίνακα VC προωθεί το πακέτο στη θύρα εξόδου που καθορίζεται από τον πίνακα VC Το ζεύγος τιμών θύρα εισόδου και εισερχόμενο VCI προσδιορίζει μοναδικά μια σύνδεση η τιμή VCI προσδιορίζει τη σύνδεση μόνο σε ένα σύνδεσμο (τοπική εμβέλεια συνδέσμου, link-local scope) η χρήση του ζεύγους τιμών δίνει τη δυνατότητα προσδιορισμού των συνδέσεων σε όλο το δίκτυο χωρίς την ανάγκη κεντρικού ελέγχου ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 24 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Προώθηση πακέτων (2/2) Example Πίνακας VC στον μεταγωγέα 1 Θύρα εισόδου Εισερχόμενο VCI Θύρα εξόδου Εξερχόμενο VCI 2 5 1 11 Πίνακας VC στον μεταγωγέα 2 Θύρα εισόδου Εισερχόμενο VCI Θύρα εξόδου Εξερχόμενο VCI 3 11 2 7 Πίνακας VC στον μεταγωγέα 3 Θύρα εισόδου Εισερχόμενο VCI Θύρα εξόδου Εξερχόμενο VCI 0 7 1 4 ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 25 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Εγκαθίδρυση σύνδεσης (1/3) Κάθε φορά που δημιουργείται μια καινούργια σύνδεση πρέπει να γίνει εγκαθίδρυση της σύνδεσης: να αποδοθεί μια τιμή VCI για κάθε σύνδεσμο που αυτή θα διασχύσει κάθε μεταγωγέας που εμπλέκεται να ενημερώσει τον πίνακα VC Υπάρχουν δύο τεχνικές για την εγκαθίδρυση μιας σύνδεσης: η στατική εγκαθίδρυση από το διαχειριστή του δικτύου η δυναμική εγκαθίδρυση με την ανταλλαγή μηνυμάτων μεταξύ των υπολογιστών υπηρεσίας και των μεταγωγέων Στατική εγκαθίδρυση: ο διαχειριστής του δικτύου είναι υπεύθυνος για την απόδοση των τιμών VCI αλλά και την ενημέρωση των μεταγωγέων (εγγραφή και διαγραφή) στην περίπτωση αυτή τα εικονικά κυκλώματα χαρακτηρίζονται ως μόνιμα (permanent virtual circuits, PVC) καθώς είναι κυκλώματα μακράς διάρκειας η τεχνική είναι ανέφικτη σε δίκτυα με πολλούς υπολογιστές ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 26 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Εγκαθίδρυση σύνδεσης (2/3) Μηχανισμός δυναμικής εγκαθίδρυσης: ο υπολογιστής προέλευσης στέλνει ένα μήνυμα εγκατάστασης που διέρχεται από τους μεταγωγείς που θα εξυπηρετήσουν τη σύνδεση κάθε μεταγωγέας που λαμβάνει το μήνυμα επιλέγει μια τιμή VCI για τον εξερχόμενο κλάδο και ενημερώνει τον επόμενο μεταγωγέα για την επιλογή του ο υπολογιστής προορισμού απαντά με την αποστολή ενός μηνύματος επιβεβαίωσης με το μήνυμα επιβεβαίωσης κάθε μεταγωγέας ενημερώνεται για την επιλογή του επόμενου (στο μονοπάτι) μεταγωγέα για τη διαγραφή της σύνδεσης ο υπολογιστής προσέλευσης στέλνει ένα μήνυμα διαγραφής το οποίο λαμβάνουν με τη σειρά οι μεταγωγείς ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 27 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Εγκαθίδρυση σύνδεσης (3/3) Η ανταλλαγή μηνυμάτων για την εγκαθίδρυση της σύνδεσης ονομάζεται σηματοδότηση (signalling) τα εικονικά κυκλώματα ονομάζονται κυκλώματα μεταγωγής (switched virtual circuits, SVC) το κόστος (πλήθος μηνυμάτων) της σηματοδότησης είναι σημαντικό Ο αλγόριθμος δρομολόγησης είναι σημαντικός και στη μεταγωγή εικονικού κυκλώματος καθορίζει τον επόμενο κόμβο (μεταγωγέα) στον οποίο ένας μεταγωγέας προωθεί ένα μήνυμα εγκατάστασης μιας σύνδεσης ο αλγόριθμος δρομολόγησης χρησιμοποιείται στην έναρξη της επικοινωνίας ενώ στη μεταγωγή πακέτου η απόφαση δρομολόγησης λαμβάνεται για κάθε πακέτο ξεχωριστά ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 28 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Χαρακτηριστικά Μεταγωγής Εικονικού Κυκλώματος (1/2) Η εγκαθίδρυση της σύνδεσης και η διαγραφή της συνεπάγεται αυξημένο κόστος τα μηνύματα σηματοδοσίας καταναλώνουν το εύρος ζώνης του δικτύου ο απαιτούμενος αποθηκευτικός χώρος σε κάθε μεταγωγέα αυξάνεται με το πλήθος των συνδέσεων και είναι σημαντικός για μεγάλα δίκτυα η απαιτούμενη επεξεργαστική ισχύς ενός μεταγωγέα αυξάνεται με το πλήθος των συνδέσεων Η έναρξη της επικοινωνίας δε μπορεί να γίνει άμεσα απαιτείται καθυστέρηση τουλάχιστον RTT για την αποστολή του μηνύματος εγκαθίδρυσης και την απάντηση του κόμβου προορισμού ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 29 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Χαρακτηριστικά Μεταγωγής Εικονικού Κυκλώματος (2/2) Όλα τα πακέτα της ίδιας σύνδεσης ακολουθούν το ίδιο δρομολόγιο εφόσον δεν υπάρχουν μεταβολές στο δίκτυο η εν σειρά παράδοση των δεδομένων είναι εγγυημένη Σε περίπτωση αστοχίας (συνδέσμου ή μεταγωγέα) η σύνδεση διακόπτεται και πρέπει να εγκαθιδρυθεί μια νέα η διαδικασία ονομάζεται handover η παλιά σύνδεση πρέπει να διαγραφεί από όλους τους μεταγωγείς ώστε να απελευθερωθεί ο αποθηκευτικός χώρος Κάθε πακέτο χρειάζεται να μεταφέρει μόνο το αναγνωριστικό VCI και όχι τη διεύθυνση προορισμού η επιβάρυνση του δικτύου είναι μικρότερη ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 30 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Ανταγωνισμός, συμφόρηση και είδος μεταγωγής (1/2) Μεταγωγή πακέτου και εικονικού κυκλώματος: δύο διαφορετικές προσεγγίσεις στη διαχείριση των πόρων ενός μεταγωγέα Μεταγωγή εικονικού κυκλώματος συντηρητική προσέγγιση η διαδικασία εγκαθίδρυσης μιας σύνδεσης επιτρέπει στους μεταγωγείς να έχουν έλεγχο των διαθέσιμων πόρων και να απορρίψουν αιτήματα αν δεν υπάρχουν πόροι οι πόροι ενός μεταγωγέα ενδεχομένως υποαξιοποιούνται γιατί είναι απίθανο μια σύνδεση να αξιοποιεί όλους τους πόρους που της έχουν ανατεθεί σε όλες τις χρονικές στιγμές η δημιουργία συμφόρησης δεν είναι δυνατή Μεταγωγή πακέτου επιθετική προσέγγιση η απουσία ελέγχου στους μεταγωγείς επιτρέπει την εξυπηρέτηση περισσότερων συνδέσεων (καλύτερη αξιοποίηση των πόρων των μεταγωγέων) ωστόσο δεν υπάρχει τρόπος να αποφευχθεί η συμφόρηση παρά μόνο να αντιμετωπιστεί μετά την εμφάνισή της ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 31 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Ανταγωνισμός, συμφόρηση και είδος μεταγωγής (2/2) Ο ρόλος της δρομολόγησης είναι ιδιαίτερα σημαντικός και για τις δύο τεχνικές στη μεταγωγή πακέτου: μπορεί να μειώσει την πιθανότητα εμφάνισης της συμφόρησης στη μεταγωγή εικονικού κυκλώματος: μπορεί να αυξήσει το πλήθος των εξυπηρετούμενων συνδέσεων Η μεταγωγή εικονικού κυκλώματος είναι βασικός μηχανισμός για την παροχή διαφορετικής ποιότητας υπηρεσιών (Quality of Service, QoS) σε κάθε σύνδεση (κύκλωμα) το γεγονός ότι τα πακέτα μια σύνδεσης διέρχονται από τον ίδιο μεταγωγέα διευκολύνει την εφαρμογή μιας πολιτικής ανάθεσης πόρων οι δυνατότητες με τη μεταγωγή πακέτου είναι περιορισμένες και απαιτούν πολύπλοκους μηχανισμούς Το δίλημμα μεταξύ των δύο τεχνικών μεταγωγής είναι ισοδύναμο με το δίλημμα: αποδοτικότητα vs αξιοπιστία ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 32 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Δρομολόγηση προέλευσης Διάρθρωση 1 Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου 2 Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Δρομολόγηση προέλευσης Γέφυρες και μεταγωγή LAN 3 Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Ιεραρχική δρομολόγηση Άλλες μορφές δρομολόγησης 4 Έλεγχος συμφόρησης και κατανομή πόρων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 33 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Δρομολόγηση προέλευσης Εισαγωγή Κεντρική ιδέα: οι πληροφορίες που είναι απαραίτητες για τη μεταγωγή του πακέτου μέχρι τον προορισμό παρέχονται από τον υπολογιστή υπηρεσίας προέλευσης η τεχνική ονομάζεται δρομολόγηση προέλευσης (source routing) προϋπόθεση: ο αλγόριθμος δρομολόγησης πρέπει να παρέχει στον υπολογιστή προέλευσης τη διαδρομή μέχρι τον προορισμό Οι απαραίτητες πληροφορίες για τη μεταγωγή (θύρα εξόδου σε κάθε μεταγωγέα) αποθηκεύονται στην κεφαλίδα του πακέτου Η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε δίκτυα μεταγωγής πακέτου και μεταγωγής εικονικών κυκλωμάτων πχ, στο πρωτόκολλο IP υπάρχει πρόβλεψη για δρομολόγηση προέλευσης ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 34 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Δρομολόγηση προέλευσης Προώθηση πακέτων Example Κάθε μεταγωγέας: διαβάζει την πρώτη θύρα στην κεφαλίδα του πακέτου και τη μεταφέρει στην τελευταία θέση της κεφαλίδας μεταδίδει το πακέτο στη θύρα εξόδου που διάβασε ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 35 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Δρομολόγηση προέλευσης Κόστος Η μεταφορά των πληροφοριών μεταγωγής στην κεφαλίδα του πακέτου αποτελεί σημαντικό κόστος το εύρος ζώνης σπαταλιέται για τη μετάδοση των πληροφοριών μεταγωγής Υπάρχουν διάφορες τεχνικές για τη μείωση του κόστους κάθε μεταγωγέας μπορεί να αφαιρεί από την κεφαλίδα τη θύρα που μόλις διάβασε στην κεφαλίδα είναι δυνατόν να καθορίζονται μόνο ορισμένοι από τους μεταγωγείς του δρομολογίου που πρέπει να ακολουθήσει το πακέτο (χαλαρή δρομολόγηση) ο καθορισμός όλων των ενδιάμεσων μεταγωγέων ονομάζεται αυστηρή δρομολόγηση Δεν υπάρχει αποθηκευτικό κόστος στους μεταγωγείς και το κόστος επεξεργασίας είναι χαμηλό ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 36 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Γέφυρες και μεταγωγή LAN Διάρθρωση 1 Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου 2 Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Δρομολόγηση προέλευσης Γέφυρες και μεταγωγή LAN 3 Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Ιεραρχική δρομολόγηση Άλλες μορφές δρομολόγησης 4 Έλεγχος συμφόρησης και κατανομή πόρων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 37 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Γέφυρες και μεταγωγή LAN Εισαγωγή Σε πολλές περιπτώσεις είναι επιθυμητό να διασυνδέσουμε πολλά δίκτυα άμεσου συνδέσμου της ίδιας τεχνολογίας πχ, να διασυνδέσουμε δίκτυα Ethernet Η χρήση ενός επαναλήπτη δεν είναι ικανοποιητική γιατί: ενδέχεται να παραβιάζει τους φυσικούς περιορισμούς (πχ, το μέγιστο μήκος ή το πλήθος των υπολογιστών) δεν μπορεί να αποδώσει ικανοποιητικό εύρος ζώνης στους συνδεδεμένους υπολογιστές (όλοι οι κόμβοι είναι συνδεδεμένοι στο ίδιο πεδίο συγκρούσεων) Η διασύνδεση μπορεί να πραγματοποιηθεί με ειδικούς μεταγωγείς που ονομάζονται γέφυρες (bridges) ή μεταγωγείς LAN ή μεταγωγείς επιπέδου-2 (layer-2 switches) οι μεταγωγείς αυτοί λειτουργούν μόνο με αρχές του επιπέδου συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων το δίκτυο που σχηματίζεται ονομάζεται επεκτεταμένο (extended) LAN ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 38 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Γέφυρες και μεταγωγή LAN Γέφυρες με δυνατότητα μάθησης Ένας μεταγωγέας LAN μπορεί να κατασκευάσει τον πίνακα προώθησης και να υλοποιήσει τη μεταγωγή πακέτου υλοποιώντας έναν απλό αλγόριθμο ο μεταγωγέας καταγράφει τη διεύθυνση προέλευση κάθε πακέτου και τη θύρα λήψης και ενημερώνει τον πίνακα προώθησης οι εγγραφές του πίνακα προώθησης διατηρούνται για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, ύστερα από το οποίο διαγράφονται Ο μεταγωγέας: προωθεί τα πακέτα σύμφωνα με τον πίνακα προώθησης που έχει κατασκευάσει προωθεί όλα τα πακέτα προς προορισμούς για τους οποίους δεν υπάρχει εγγραφή στον πίνακα προώθησης δεν προωθεί πακέτα που κατευθύνονται στην ίδια θύρα από την οποία ελήφθησαν ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 39 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Γέφυρες και μεταγωγή LAN Αλγόριθμος δένδρου κάλυψης Ο αλγόριθμος μάθησης που περιγράφηκε δε λειτουργεί όταν η τοπολογία του επεκτεταμένου LAN περιέχει βρόχους Λύση: κάθε μεταγωγέας εκτελεί έναν κατανεμημένο αλγόριθμο δένδρου κάλυψης (spanning tree) δένδρο κάλυψης: ένα υπογράφημα που εκτείνεται σε όλους τους κόμβους του δικτύου και δεν περιέχει κύκλους ένας απλός αλγόριθμος δένδρου κάλυψης υλοποιείται στο πρότυπο IEEE 8021 ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 40 / 91

Μεταγωγή πληροφορίας Γέφυρες και μεταγωγή LAN Περιορισμοί γεφυρών Οι μεταγωγείς LAN υπόκεινται σε δύο βασικούς περιορισμούς που σχετίζονται με: την κλιμάκωση την ετερογένεια Η δυνατότητα κλιμάκωσης σε δίκτυα με πολλούς υπολογιστές είναι περιορισμένη αιτία: ο αλγόριθμος του δένδρου κάλυψης δεν έχει καλές ιδιότητες κλιμάκωσης (γραμμική κλιμάκωση) δεν έχει προβλεφθεί κάποια ιεραρχική οργάνωση των επεκτεταμένων LAN Τα είδη των δικτύων που διασυνδέουν οι μεταγωγείς LAN είναι περιορισμένα αιτία: χρησιμοποιούν την κεφαλίδα του πλαισίου για τη μεταγωγή μόνο δίκτυα που χρησιμοποιούν την ίδια μορφή διευθύνσεων μπορούν να διασυνδεθούν ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 41 / 91

Δρομολόγηση Διάρθρωση 1 Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου 2 Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Δρομολόγηση προέλευσης Γέφυρες και μεταγωγή LAN 3 Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Ιεραρχική δρομολόγηση Άλλες μορφές δρομολόγησης 4 Έλεγχος συμφόρησης και κατανομή πόρων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 42 / 91

Δρομολόγηση Σκοπός της Δρομολόγησης Δρομολόγηση Ο μηχανισμός με τον οποίο επιλέγεται το βέλτιστο μονοπάτι σε ένα δίκτυο μεταγωγής (ή διαδίκτυο) για την επικοινωνία δύο υπολογιστών Δρομολόγηση (από τη σκοπιά του μεταγωγέα) Επιλογή της βέλτιστης θύρας εξόδου με βάση τη διεύθυνση προορισμού Η δρομολόγηση είναι εξίσου σημαντική για τη μεταγωγή πακέτου και τη μεταγωγή εικονικού κυκλώματος μεταγωγή πακέτου: η δρομολόγηση είναι απαραίτητη για την προώθηση κάθε πακέτου μεταγωγή εικονικού κυκλώματος: η δρομολόγηση είναι απαραίτητη για την εγκαθίδρυση της σύνδεσης Οι λειτουργίες της δρομολόγησης και της μεταγωγής εκτελούνται συνήθως στον ίδιο υπολογιστή ειδικού σκοπού, ο οποίος ονομάζεται δρομολογητής ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 43 / 91

Δρομολόγηση Δρομολόγηση vs Προώθηση (1/2) Διάκριση μεταξύ προώθησης και δρομολόγησης Δρομολόγηση: η διαδικασία σύνταξης των πινάκων προώθησης υλοποιείται με σύνθετους κατανεμημένους αλγόριθμους Προώθηση: η αποστολή του πακέτου προς μια κατεύθυνση με βάση τη διεύθυνση προορισμού και τον πίνακα προώθησης απλή διαδικασία που εκτελείται τοπικά στο μεταγωγέα Η δρομολόγηση παράγει τον πίνακα δρομολόγησης για κάθε μεταγωγεά η σύνταξη του πίνακα προώθησης γίνεται με βάση τον πίνακα δρομολόγησης Αν και διαφορετικοί, σε πολλές περιπτώσεις ο πίνακας δρομολόγησης και ο πίνακας προώθησης χρησιμοποιούνται ισοδύναμα ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 44 / 91

Δρομολόγηση Δρομολόγηση vs Προώθηση (2/2) Example Ένας πίνακας δρομολόγησης περιέχει αντιστοιχίες μεταξύ υπολογιστών προορισμού και επόμενων αλμάτων επίσης, μπορεί να περιέχει πληροφορίες που σχετίζονται με την υλοποίηση του αλγόριθμου δρομολόγησης Ο πίνακας προώθησης στηρίζεται στον πίνακα δρομολόγησης αλλά περιέχει επιπλέον πληροφορίες: τον προσδιορισμό της θύρας εξόδου (ή του κλάδου εξόδου) λεπτομέρειες για τη μετάδοση των δεδομένων στο σύνδεσμο (πχ η διεύθυνση MAC του επόμενου άλματος) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 45 / 91

Δρομολόγηση Δρομολόγηση και γραφήματα Ένα δίκτυο μπορεί να αναπαρασταθεί με ένα γράφημα: οι κόμβοι αναπαριστούν τους υπολογιστές υπηρεσίας, τους δρομολογητές ή ακόμα και ολόκληρα δίκτυα οι ακμές αναπαριστούν τους συνδέσμους του δικτύου κάθε ακμή περιγράφεται με ένα κόστος μεγάλο κόστος: η αποστολή δεδομένων μέσα από την ακμή είναι λιγότερο επιθυμητή H δρομολόγηση μετατρέπεται σε ένα πρόβλημα της θεωρίας γραφημάτων που είναι γνωστό με τον όρο δρομολόγηση συντομότερης διαδρομής (shortest path routing) πρόβλημα: εντοπισμός της διαδρομής με το μικρότερο κόστος κόστος διαδρομής: είναι το άθροισμα του κόστους των συνδέσμων που την αποτελούν Η πιο ακριβής αναπαράσταση ενός δικτύου απαιτεί τη χρήση δύο ακμών για κάθε σύνδεσμο (μία για κάθε κατεύθυνση) και ενός κόστους για κάθε ακμή ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 46 / 91

Δρομολόγηση Προσαρμογή στις μεταβολές του δικτύου (1/2) Η προσέγγιση της δρομολόγησης ως γραφοθεωρητικού προβλήματος είναι στατική και μη εφαρμόσιμη σε πραγματικά δίκτυα δεν αντιμετωπίζει τις αστοχίες κόμβων και συνδέσμων δεν λαμβάνει υπόψη την προσθήκη κόμβων στο δίκτυο υπονοεί ότι το κόστος δεν μεταβάλλεται το κόστος σχετίζεται συνήθως με μεταβαλλόμενες παραμέτρους του συνδέσμου, πχ σύνδεσμος με μεγάλο φόρτο υψηλό κόστος δε λαμβάνει υπόψη πιθανή κινητικότητα των κόμβων που μπορεί να μεταβάλλει τις ακμές και το κόστος τους Η μεταβλητότητα του δικτύου επιβάλλει το δυναμικό προσδιορισμό των συντομότερων διαδρομών ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 47 / 91

Δρομολόγηση Προσαρμογή στις μεταβολές του δικτύου (2/2) Κάθε κόμβος που υλοποιεί τον αλγόριθμο δρομολόγησης πρέπει δυναμικά να ανανεώνει την εικόνα που έχει για το δίκτυο Ακριβής γνώση του δικτύου Επιτυχημένη δρομολόγηση η ακριβής γνώση του δικτύου απαιτεί ο κόμβος να συλλέγει πληροφορίες κατάστασης του δικτύου Η συλλογή πληροφοριών κατάστασης πραγματοποιείται με την ανταλλαγή μηνυμάτων που καλούνται μηνύματα δρομολόγησης (routing messages) τα μηνύματα ανταλλάσσονται μεταξύ του κόμβου που υλοποιεί τον αλγόριθμο και των υπόλοιπων κόμβων του δικτύου Πληροφορίες κατάστασης του δικτύου: με τον όρο αυτό αναφερόμαστε στις πληροφορίες που περιγράφουν το γράφημα του δικτύου σε μια χρονική στιγμή ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 48 / 91

Δρομολόγηση Κόστος δρομολόγησης Τα μηνύματα δρομολόγησης που ανταλλάσσουν οι κόμβοι ενός δικτύου αναφέρονται και με τον όρο φορτίο δρομολόγησης (routing overhead) Το φορτίο δρομολόγησης αποτελεί το σημαντικότερο κόστος ενός αλγόριθμου δρομολόγησης η μετάδοση των μηνυμάτων δρομολόγησης καταναλώνει το εύρος ζώνης των συνδέσμων Στο κόστος ενός αλγόριθμου δρομολόγησης συμπεριλαμβάνονται επίσης: η απαιτούμενη επεξεργαστική ισχύς ο απαιτούμενος χώρος αποθήκευσης, κλπ ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 49 / 91

Δρομολόγηση Τεχνικές ανανέωσης (1/2) Η εγκυρότητα των υπολογιζόμενων διαδρομών εξαρτάται από: τη συχνότητα συλλογής των πληροφοριών κατάστασης του δικτύου και υπολογισμού των διαδρομών το ρυθμό μεταβολής της κατάστασης του δικτύου ιδιαίτερης σημασίας είναι η μεταβολή του κόστους των συνδέσεων ενός δικτύου Οι σημαντικότερες προσεγγίσεις για τη δυναμική ανανέωση των συντομότερων διαδρομών είναι: περιοδική (periodic): ο υπολογισμός των διαδρομών γίνεται περιοδικά ανεξάρτητα από το αν έχει μεταβληθεί ή όχι η κατάσταση του δικτύου πυροδοτούμενη (triggered) ή εξαναγκασμένη: ο υπολογισμός των διαδρομών γίνεται μόνο αν έχει προκύψει κάποια αλλαγή στην κατάσταση του δικτύου αιτούμενη (on-demand): ο υπολογισμός μιας διαδρομής γίνεται μόνο αν η διαδρομή είναι απαραίτητη ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 50 / 91

Δρομολόγηση Τεχνικές ανανέωσης (2/2) Η κάθε προσέγγιση προσφέρει διαφορετικά επίπεδα εγκυρότητας των υπολογισμένων διαδρομών αλλά και φορτίου δρομολόγησης πχ, περιοδική προσέγγιση: μικρότερη περίοδος ανανέωσης μεγαλύτερη εγκυρότητα διαδρομών μεγαλύτερο φορτίο δρομολόγησης Σε κάθε περίπτωση η εγκυρότητα οποιουδήποτε αλγόριθμου δρομολόγησης είναι περιορισμένη αιτία: η μετάδοση των μηνυμάτων δρομολόγησης απαιτεί χρόνο μέσα στον οποίο η κατάσταση του δικτύου μπορεί να έχει μεταβληθεί ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 51 / 91

Δρομολόγηση Κατανεμημένη vs Κεντρικοποιημένη υλοποίηση (1/2) Ο δυναμική προσέγγιση επιβάλλει την κατανεμημένη (decentralized) υλοποίηση των αλγόριθμων δρομολόγησης Στην κατανεμημένη υλοποίηση κάθε κόμβος: εκτελεί τοπικά τον αλγόριθμο δρομολόγησης ανταλλάσσει μηνύματα δρομολόγησης με τους άλλους κόμβους του δικτύου για να ανακαλύψει πληροφορίες σχετικά με το δίκτυο Οι κεντρικοποιημένες (centralized) υλοποιήσεις δεν είναι κλιμακώσιμες και χρησιμοποιούνται σπάνια τα ευρέως χρησιμοποιούμενα πρωτόκολλα δρομολόγησης υιοθετούν κατανεμημένες προσεγγίσεις Κεντρικοποιημένη υλοποίηση Μόνο ένας κόμβος υπολογίζει τις συντομότερες διαδρομές και τις αποστέλλει στους υπόλοιπους κόμβους του δικτύου Μηνύματα δρομολόγησης ανταλλάσσονται μεταξύ του κόμβου και κάθε άλλου κόμβου του δικτύου ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 52 / 91

Δρομολόγηση Κατανεμημένη vs Κεντρικοποιημένη υλοποίηση (2/2) Ζήτημα στην κατανεμημένη υλοποίηση: δύο κόμβοι ενδέχεται να έχουν διαφορετική εικόνα για την κατάσταση του δικτύου σε μια δεδομένη χρονική στιγμή αιτία: ο χρόνος που απαιτείται ώστε ένας κόμβος να λάβει πληροφορίες για ένα τμήμα του δικτύου εξαρτάται από τη θέση του κόμβου στο δίκτυο Η έλλειψη κοινής εικόνας στους κόμβους δημιουργεί σημαντικά προβλήματα και θέτει σημαντικές προκλήσεις πχ, σχηματισμός βρόχων: δύο κόμβοι ενδέχεται να γνωρίζουν διαφορετικό μονοπάτι προς έναν προορισμό με αποτέλεσμα ένα πακέτο να μεταφέρεται μεταξύ των κόμβων αυτών ο σχηματισμός βρόχων είναι ένα μόνο από τα προβλήματα που ενδέχεται να δημιουργηθούν ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 53 / 91

Δρομολόγηση Μετρικές δρομολόγησης (1/2) Οι μετρικές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κόστος ενός συνδέσμου σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά του συνήθως χρησιμοποιούνται μετρικές που είναι συνάρτηση: της καθυστέρησης διάδοσης, του εύρους ζώνης, του τρέχοντος φορτίου και της καθυστέρησης αναμονής σπανιότερα χρησιμοποιούνται μετρικές που σχετίζονται με την αξιοπιστία Η επιλογή της μετρικής που θα χρησιμοποιηθεί επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του αλγόριθμου δρομολόγησης πχ, μπορεί να δημιουργήσει το φαινόμενο των μετατοπίσεων του φορτίου (load oscillations) πχ, μπορεί να οδηγήσει σε μονοπάτια με πολλά άλματα και επομένως σε σπατάλη των πόρων του δικτύου ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 54 / 91

Δρομολόγηση Μετρικές δρομολόγησης (2/2) Επίσης, η επιλογή της μετρικής καθορίζει τα χαρακτηριστικά των υπολογιζόμενων διαδρομών πχ, κόστος=καθυστέρηση: η διαδρομή που υπολογίζεται είναι κατάλληλη για εφαρμογές πραγματικού χρόνου (real time) πχ, κόστος=τρέχον φορτίο: η διαδρομή που υπολογίζεται είναι κατάλληλη για μετάδοση streaming video Παραδοσιακά ως μετρική χρησιμοποιείται η συνολική καθυστέρηση (καθυστερήσεις διάδοσης, μετάδοσης και αναμονής) στο σύνδεσμο με ιδιαίτερη μέριμνα ώστε: να μην προκαλούνται απότομες μεταβολές της μετρικής να περιοριστεί το εύρος τιμών της μετρικής Σε πολλές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται μετρικές που δε μεταβάλλονται με το χρόνο συνηθέστερη επιλογή: κόστος=σταθερά*(1/εύρος ζώνης) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 55 / 91

Δρομολόγηση Κατηγορίες αλγόριθμων δρομολόγησης Οι αλγόριθμοι δρομολόγησης μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με διαφορετικούς τρόπους Οι συνηθέστερες κατηγοριοποιήσεις αφορούν: την τεχνική ανανέωσης που χρησιμοποιείται το είδος και την έκταση των πληροφοριών κατάστασης του δικτύου, τις οποίες συλλέγουν αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης (distance vector) αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων (link state) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 56 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Διάρθρωση 1 Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου 2 Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Δρομολόγηση προέλευσης Γέφυρες και μεταγωγή LAN 3 Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Ιεραρχική δρομολόγηση Άλλες μορφές δρομολόγησης 4 Έλεγχος συμφόρησης και κατανομή πόρων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 57 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Εισαγωγή Η χρήση διανυσμάτων απόστασης (distance vector) στη δρομολόγηση είναι μια ιδέα που έχει εφαρμοστεί σε πολλούς αλγόριθμους δρομολόγησης Κεντρική ιδέα: κάθε κόμβος μπορεί να μάθει το δίκτυο λαμβάνοντας επαναλαμβανόμενες ενημερώσεις από τους γειτονικούς του κόμβους Οι αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης υλοποιούνται κατανεμημένα δεν υπάρχει ανάγκη κεντρικού ελέγχου για την υλοποίηση του αλγόριθμου Ο βασικός αλγόριθμος διανυσμάτων απόστασης ονομάζεται και αλγόριθμος Bellman-Ford προς τιμήν αυτών που τον πρότειναν ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 58 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Πίνακας δρομολόγησης και αρχικοποίηση Κάθε κόμβος διατηρεί ένα πίνακα δρομολόγησης με μία εγγραφή (διάνυσμα) για κάθε πιθανό προορισμό που περιέχει: το επόμενο άλμα (κόμβο) ώστε το πακέτο να φτάσει στον προορισμό το συνολικό κόστος (απόσταση) μέχρι τον προορισμό Αρχικοποίηση πίνακα: Destination Next hop Cost το συνολικό κόστος για τους Example γείτονες αρχικοποιείται με το κόστος του συνδέσμου για όλους τους άλλους κόμβους το συνολικό κόστος αρχικά θεωρείται άπειρο Υποθέτουμε ότι κάθε κόμβος μπορεί να ανιχνεύσει το κόστος του συνδέσμου με ένα γειτονικό κόμβο Αυτό θα μπορούσε να γίνει χρησιμοποιώντας πχ μηχανισμούς του επιπέδου συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 59 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αποστολή και λήψη ενημερώσεων (1/2) Κάθε κόμβος αποστέλλει μηνύματα δρομολόγησης (ή ενημερώσεις) σε όλους τους γείτονες οι ενημερώσεις αποστέλλονται κάθε φορά που ο κόμβος παρατηρεί μια μεταβολή στον πίνακα δρομολόγησης Ένα μήνυμα δρομολόγησης περιέχει τις αποστάσεις που ο κόμβος γνωρίζει για τους άλλους κόμβους του δικτύου Αντίστοιχα, κάθε κόμβος λαμβάνει ενημερώσεις από τους γείτονές του χρησιμοποιεί τις πληροφορίες που λαμβάνει για να ανακαλύψει συντομότερες διαδρομές αν ένας κόμβος v λάβει μια ενημέρωση από τον z όπου cost(z, w) + cost(v, z) < cost(v, w) τότε η διαδρομή μέσω του z είναι η συντομότερη διαδρομή του v προς τον w ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 60 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αποστολή και λήψη ενημερώσεων (2/2) Example Σειρά αποστολής ενημερώσεων: 1,2,4,3 ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 61 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Πυροδοτούμενη και Περιοδική ανανέωση Η αποστολή ενημερώσεων σε κάθε μεταβολή του πίνακα δρομολόγησης ονομάζεται πυροδοτούμενη (triggered) ενημέρωση Αλλαγές στον πίνακα δρομολόγησης μπορούν να προκύψουν από: τη μεταβολή του συνδέσμου με κάποιο γείτονα τη λήψη και επεξεργασίας κάποιας ενημέρωσης Επίσης, ένα κόμβος αποστέλλει περιοδικές (periodic) ενημερώσεις η μέθοδος έχει σκοπό να ενημερώσει τους γειτονικούς κόμβους: ότι ο αποστολέας της ενημέρωσης εξακολουθεί να λειτουργεί για εναλλακτικές διαδρομές προς κόμβους των οποίων η προηγούμενη διαδρομή έχει καταστεί ανενεργή η περίοδος αποστολής ενημερώσεων εξαρτάται από τη μεταβλητότητα του δικτύου ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 62 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Σύγκλιση αλγόριθμου Η ανταλλαγή ενημερώσεων μεταξύ των κόμβων σταματά όταν δεν προκύπτουν αλλαγές στους πίνακες δρομολόγησης των κόμβων στο σημείο αυτό λέμε ότι επιτεύχθηκε η σύγκλιση του αλγόριθμου Σύγκλιση (Convergence) Η κατάσταση κατά την οποία οι κόμβοι του δικτύου έχουν υπολογίσει τις συντομότερες διαδρομές και δεν ανταλλάσσουν ενημερώσεις Πριν τη σύγκλιση του αλγόριθμου κάποιες διαδρομές δεν έχουν υπολογιστεί ενώ κάποιες άλλες δεν είναι οι συντομότερες Ο χρόνος σύγκλισης ενός αλγόριθμου δρομολόγησης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως: το μέγεθος του δικτύου η διάμετρος του δικτύου η μεταβλητότητα του δικτύου οι καθυστερήσεις διάδοσης και μετάδοσης στους συνδέσμους ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 63 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Πρόβλημα μέτρησης μέχρι το άπειρο Υπό ορισμένες συνθήκες, η αστοχία ενός κόμβου ή συνδέσμου μπορεί να οδηγήσει στην αδυναμία σύγκλισης του αλγόριθμου η κατάσταση είναι γνωστή με τον όρο μέτρηση ως το άπειρο (count-to-infinity) Οι γνωστότερες τεχνικές αντιμετώπισης του φαινομένου είναι: χρησιμοποίηση ενός μικρού αριθμού για την αναπαράσταση του άπειρου κόστους χωριστός ορίζοντας (split horizon) χωριστός ορίζοντας με αντιστροφή δηλητηρίου (split horizon with poison reverse) Ανίχνευση αστοχίας Η αστοχία ενός κόμβου (ή συνδέσμου) μπορεί να ανιχνευθεί: με την αποστολή μηνυμάτων ελέγχου στο σύνδεσμο και τη λήψη επιβεβαιώσεων αν δεν ληφθεί η περιοδική ενημέρωση από τον κόμβο αυτό ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 64 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Κριτική αλγόριθμου Πλεονεκτήματα: είναι ένας κατανεμημένος αλγόριθμος με χαμηλή πολυπλοκότητα υλοποίησης απαιτεί μικρό αποθηκευτικό χώρο σε κάθε κόμβο το φορτίο δρομολόγησης που παράγεται είναι σχετικά χαμηλό μόνο οι γειτονικοί κόμβοι ανταλλάσσουν μηνύματα δρομολόγησης Μειονεκτήματα: το πρόβλημα μέτρησης μέχρι το άπειρο η σύγκλιση του αλγόριθμου μπορεί να είναι αργή σε μεγάλα και ταχέως μεταβαλλόμενα δίκτυα σε εξαιρετικές περιπτώσεις η σύγκλιση μπορεί να μην είναι εφικτή ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 65 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Διάρθρωση 1 Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου 2 Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Δρομολόγηση προέλευσης Γέφυρες και μεταγωγή LAN 3 Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Ιεραρχική δρομολόγηση Άλλες μορφές δρομολόγησης 4 Έλεγχος συμφόρησης και κατανομή πόρων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 66 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Εισαγωγή (1/2) Η δρομολόγηση με χρήση πληροφοριών κατάστασης συνδέσμων (link state) χρησιμοποιείται από πολλούς αλγόριθμους δρομολόγησης Κεντρική ιδέα: κάθε κόμβος διαδίδει σε όλους τους κόμβους του δικτύου πληροφορίες κατάστασης σχετικά με τους γειτονικούς του κόμβους με τον τρόπο αυτό όλοι οι κόμβοι μαθαίνουν την κατάσταση ολόκληρου του δικτύου Distance Vector vs Link State Distance vector: κάθε κόμβος επικοινωνεί μόνο με τους γείτονες και μαθαίνει όλες τις πληροφορίες που αυτοί έχουν Link State: κάθε κόμβος επικοινωνεί με όλους τους κόμβους και μαθαίνει πληροφορίες σχετικά με τους γείτονές τους ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 67 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Εισαγωγή (2/2) Ο βασικός αλγόριθμος αποτελείται από δύο επιμέρους μηχανισμούς: την διάδοση των πληροφοριών κατάστασης που υλοποιείται με έναν μηχανισμό αξιόπιστης πλημμύρας (reliable flooding) τον υπολογισμό των διαδρομών προσοχή: είναι δυνατός ο υπολογισμός της πλήρους διαδρομής και όχι μόνο του επόμενου άλματος Η τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί με κατανεμημένο ή κεντρικοποιημένο τρόπο κατανεμημένη υλοποίηση: οι κόμβοι διαδίδουν πληροφορίες και υπολογίζουν τις καλύτερες διαδρομές κεντρικοποιημένη υλοποίηση: όλοι οι κόμβοι διαδίδουν πληροφορίες προς έναν κόμβο αλλά μόνο ο κόμβος αυτός υπολογίζει τις διαδρομές και τις διανέμει στους άλλους κόμβους ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 68 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Μηνύματα LSP και πίνακας δρομολόγησης (1/2) Οι πληροφορίες που αποστέλλει κάθε κόμβος οργανώνονται σε πακέτα που ονομάζονται πακέτα κατάστασης συνδέσμων (Link State Packets, LSPs) Ένα πακέτο LSP περιέχει: το αναγνωριστικό (ID) του κόμβου που δημιούργησε το πακέτο ένα κατάλογο από εγγραφές του τύπου <γείτονας, κόστος συνδέσμου> έναν αριθμό ακολουθίας (sequence number) ένα χρόνο ζωής (time to live, TTL) για το πακέτο Και πάλι υποθέτουμε ότι ένας κόμβος διαθέτει μηχανισμούς ώστε να ανακαλύπτει το κόστος του συνδέσμου με ένα γειτονικό κόμβο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 69 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Μηνύματα LSP και πίνακας δρομολόγησης (2/2) Example Κάθε κόμβος διατηρεί ένα πίνακα δρομολόγησης με εγγραφές της μορφής <προορισμός, επόμενο άλμα, κόστος> Στην πραγματικότητα η δομή του πίνακα δρομολόγησης εξαρτάται από την τεχνική μεταγωγής Πχ, στη δρομολόγηση προέλευσης ο πίνακας δρομολόγησης μπορεί να περιέχει ολόκληρη τη διαδρομή ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 70 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Περιοδική και Πυροδοτούμενη ανανέωση Η ανταλλαγή μηνυμάτων LSP και ο υπολογισμός των διαδρομών γίνεται περιοδικά αλλά και με πυροδοτούμενη ανανέωση πυροδοτούμενη ανανέωση: κατόπιν μεταβολών της τοπολογίας του δικτύου Η περίοδος ανανέωσης επιλέγεται συνήθως να είναι ένα μεγάλο χρονικό διάστημα αν η διάδοση των μηνυμάτων LSP είναι αξιόπιστη τότε δεν έχει νόημα η πολύ συχνή διάδοση των μηνυμάτων καθώς οι μεταβολές περιγράφονται από την πυροδοτούμενη ανανέωση Ένας κόμβος ανιχνεύει τις αλλαγές τοπολογίας που αφορούν την κατάρρευση ενός γειτονικού κόμβου ή του αντίστοιχου συνδέσμου: σε μερικές περιπτώσεις χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο του επιπέδου μετάδοσης δεδομένων με τη χρήση περιοδικών μηνυμάτων χαιρετισμού (hello messages) η αδυναμία λήψης ενός μηνύματος hello για κάποιο χρόνο δηλώνει την κατάρρευση ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 71 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Αξιόπιστη πλημμύρα (1/2) Στόχος: η αξιόπιστη παράδοση ενός μηνύματος LSP από έναν κόμβο σε όλους τους κόμβους του δικτύου Ένας κόμβος v που θέλει να στείλει ένα μήνυμα LSP μεταδίδει το μήνυμα σε όλους τους γείτονές του στο μήνυμα εισάγει τη διεύθυνσή του (src), έναν ακολουθιακό αριθμό (seq src ) και το χρόνο ζωής του πακέτου ακολουθιακός αριθμός: ένας ακέραιος που αυξάνεται κάθε φορά που ένας κόμβος στέλνει ένα πακέτο LSP Ο ακολουθιακός αριθμός έχει διπλή χρησιμότητα: καθορίζει την ηλικία του πακέτου το ζεύγος τιμών < src, seq src > προσδιορίζει μοναδικά ένα πακέτο LSP μέσα στο δίκτυο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 72 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Αξιόπιστη πλημμύρα (2/2) Κάθε κόμβος w που λαμβάνει ένα μήνυμα LSP από έναν κόμβο v εξετάζει το ζεύγος τιμών < src, seq src >: προωθεί το πακέτο σε όλους τους γείτονες εκτός από τον v και αποθηκεύει τις τιμές < src, seq src > (seq w (src) seq src ) αν: δεν έχει δει άλλο πακέτο από τον κόμβο src seq src > seq w (src) απορρίπτει το πακέτο αν seqw src seq src το πακέτο LSP είναι παλαιότερο από κάποιο άλλο που έλαβε προηγούμενα ο w από τον src Ο χρόνος ζωής (time to live) καθορίζει το χρόνο παραμονής ενός πακέτου LSP στο δίκτυο επιτρέπει τη διαγραφή παλιών πακέτων LSP από κόμβους που έχουν καταρρεύσει και την αποδοχή νέων όταν οι κόμβοι επανακάμψουν ένας κόμβος μπορεί να μεταδώσει ξανά ένα μήνυμα LSP με χρόνο ζωής μηδέν για να εξαναγκάσει τους άλλους κόμβους να διαγράψουν το συγκεκριμένο πακέτο ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 73 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Υπολογισμός διαδρομών (1/2) Μετά την ανταλλαγή μηνυμάτων LSP όλοι οι κόμβοι έχουν λάβει πληροφορίες που περιγράφουν ολόκληρο το δίκτυο Ο υπολογισμός των συντομότερων διαδρομών μπορεί να γίνει με τον αλγόριθμο του Dijkstra s: ο κόμβος προέλευσης N: σύνολο που περιέχει τους κόμβους του δικτύου M: το σύνολο των κόμβων που έχουν εξεταστεί από τον αλγόριθμο l(i, j): το κόστος του συνδέσμου που συνδέει τους κόμβους i και j C(n): το κόστος της διαδρομής από τον s στον n 1: procedure DIJKSTRA(()) 2: M = {s} 3: for each n N {s} do 4: C(n) = l(s, n) 5: end for 6: while N do 7: M = M {w} : C(w) is minimum, w N M 8: for each n N M do 9: C(n) = min{c(n), C(w) + l(w, n)} 10: end for 11: end while 12: end procedure ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 74 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Υπολογισμός διαδρομών (2/2) Example ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 75 / 91

Δρομολόγηση Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Κριτική αλγόριθμου Πλεονεκτήματα: σταθεροποιείται γρήγορα και επομένως: επιτρέπει το σωστό υπολογισμό των συντομότερων διαδρομών ο σχηματισμός βρόχων είναι λιγότερο πιθανός ανταποκρίνεται γρήγορα στις μεταβολές της τοπολογίας μπορούν να υπολογιστούν παραπάνω από μια διαδρομές για κάθε ζεύγος κόμβων μπορεί να υλοποιηθεί τόσο με κατανεμημένο όσο και με κεντρικοποιημένο τρόπο Μειονεκτήματα: το φορτίο δρομολόγησης που παράγεται από τη διάδοση των μηνυμάτων LSP με την αποδοτική πλημμύρα είναι σημαντικά υψηλό σε κάθε κόμβο πρέπει να αποθηκεύεται σημαντική ποσότητα πληροφοριών ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 76 / 91

Δρομολόγηση Ιεραρχική δρομολόγηση Διάρθρωση 1 Εισαγωγή στο Επίπεδο Δικτύου 2 Μεταγωγή πληροφορίας Μεταγωγή Πακέτου Μεταγωγή Εικονικού Κυκλώματος Δρομολόγηση προέλευσης Γέφυρες και μεταγωγή LAN 3 Δρομολόγηση Αλγόριθμοι διανυσμάτων απόστασης Αλγόριθμοι κατάστασης συνδέσμων Ιεραρχική δρομολόγηση Άλλες μορφές δρομολόγησης 4 Έλεγχος συμφόρησης και κατανομή πόρων ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 77 / 91

Δρομολόγηση Ιεραρχική δρομολόγηση Αναγκαιότητα Καμία από τις τεχνικές δρομολόγησης που περιγράφηκαν δεν παρουσιάζει καλές ιδιότητες κλιμάκωσης το φορτίο δρομολόγησης αλλά και ο απαιτούμενος αποθηκευτικός χώρος αυξάνονται σημαντικά με το μέγεθος του δικτύου Λύση: δρομολόγηση με τη χρήση ιεραρχίας (ιεραρχική δρομολόγηση, hierarchical routing) Αντάλλαγμα: οι υπολογιζόμενες διαδρομές ενδέχεται να μην είναι οι συντομότερες ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 78 / 91

Δρομολόγηση Ιεραρχική δρομολόγηση Βασικές αρχές (1/2) Το δίκτυο χωρίζεται σε μικρότερα τμήματα που καλούνται περιοχές δρομολόγησης (routing domain) Περιοχή δρομολόγησης Μια περιοχή του δικτύου της οποίας όλοι οι δρομολογητές υπόκεινται στον ίδιο διαχειριστικό έλεγχο Ο σχηματισμός των περιοχών δρομολόγησης εξαρτάται από τους διαχειριστές των δρομολογητών του δικτύου Σε κάθε περιοχή δρομολόγησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοσδήποτε από τους γνωστούς αλγόριθμους δρομολόγησης τα πρωτόκολλα δρομολόγησης στην περίπτωση αυτή καλούνται ενδοπεριοχικά πρωτόκολλα (intradomain protocols) Η δρομολόγηση μεταξύ περιοχών υλοποιείται με ξεχωριστό πρωτόκολλο που υλοποιείται στους κόμβους πύλες (gateways) το πρωτόκολλο ονομάζεται διαπεριοχικής δρομολόγησης (inter-domain routing protocol) ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 79 / 91

Δρομολόγηση Ιεραρχική δρομολόγηση Βασικές αρχές (2/2) Example Ιεραρχική vs Παραδοσιακή δρομολόγηση ΕΠαπαπέτρου (ΤμΜηχ Η/Υ & Πληροφορικής) ΠΛΥ606: Δίκτυα Υπολογιστών 80 / 91