Область применения маршрутизаторов

 

По области применения маршрутизаторы делятся на несколько классов:

· Магистральные маршрутизаторы. Предназначены для построения центральной сети. Это мощные устройства способные обрабатывать миллионы пакетов с секунду и имеющих большое количество интерфейсов локальной и глобальной сети. Большое внимание в этих моделях уделяется надёжности и отказоустойчивости маршрутизатора, которое достигается за счёт системы терморегуляции, избыточных источников питания, а также симметричного мультиплексирования. Примерами магистральных маршрутизаторов служат маршрутизаторы Backbone Concentrator Node, Cisco 7500, Cisco 12000[3].

· Маршрутизаторы региональных отделений – соединяют региональные отделения между собой и с центральной сетью. Такой маршрутизатор представляет собой версию упрощённого магистрального маршрутизатора. Поддерживает интерфейс локальных и глобальных сетей мене скоростных. Примерами маршрутизаторов региональных отделений служат маршрутизаторы BLN, ASN, Cisco 3600, Cisco 2500[3].

· Маршрутизаторы удалённого офиса могут поддерживать работу по коммутируемой телефонной линии в качестве резервной связи для выделенного канала. Примерами маршрутизаторов удалённых офисов, являбтся наиболее типичные представители – Nautika, Cisco 1600, Office Connect, Pipeline[7].

· Маршрутизаторы локальных сетей предназначены для разделения крупных локальных сетей на подсети. Основные требования предъявляемые к ним: высокая скорость машрутизации, так как в такой конфигурации отсутствуют низкоскоростные поры, такие как модельные или цифровые порты.

Кроме того, сетевые устройства типа моста/маршрутизатора работают в нормальном режиме как многопротокольные маршрутизаторы, а при получении пакета с неизвестным сетевым протоколом обрабатывают его как мост. Они работают как мосты, но при этом поддерживают некоторые функции третьего уровня для оптимизации передачи данных.

4. Логический метод маршрутизации

 

Логический метод маршрутизации относится к статическим алгоритмам. Распределение статических таблиц маршрутизации устанавливается администратором заранее и прописывается вручную. В таблицах хранится информация о том, на какой интерфейс отправить пакет с соответствующей адресной информацией. Информация в таблицах не меняется, если только администратор сети не изменит её.

Логический метод маршрутизации на сети связи состоит в процедуре, выполняемой в каждом транзитном узле коммутации, начиная от узла источника, позволяющее определить исходящий тракт передачи сообщений, максимально близкий к геометрическому направлению. Сеть связи вкладывается в прямоугольную систему координат (рисунок 4.1), в соответствии с которой, каждому узу сети присваивается собственный адрес (X,Y).То есть каждом узлу на сети помимо своего адреса в общей системе адресации присваивается адрес в данной системе координат. Поэтому в оперативной памяти узла необходимо держать таблицы соответствий для данных видов адресации. Таблица содержит информацию обо всех маршрутизаторах в сети. Таблица состоит из трех частей: собственного адреса, адреса смежных узлов и адресов удаленных узлов.

В каждом транзитном узле УК(X_i,Y_j), начиная с узла источника, производится анализ адреса узла получателя в сопоставлении его с собственным. В результате вычисляется геометрическое направление из данного узла на УП.

Данные вычисления можно провести заблаговременно и держать в оперативной памяти узла.

 

Логический метод относится к алгоритмам, которые определяют оптимальный путь доставки информации, основываясь на данных о расстоянии между узлами, а не о пропускной способности сети на данном участке, то соответственно он не может учитывать возможности по ранее забракованным участкам сети из-за загруженности или неисправности [12].

Алгоритм прост для разработки и хорошо работает в окружения, где трафик сети относительно предсказуем, а схема сети относительно проста.

 

5. Структурная схема маршрутизатора, реализующего логический метод формирования

 

Рассмотрим процесс нахождения оптимального пути на магистральной сети между узлом получателя и отправителем при условии:

· число узлов на сети около ста;

· структура сети не иерархичная;

· алгоритм нахождения оптимального пути – логический;

В i-м ТПС передается служебная и пользовательская информация.

В фильтре происходит выделение различной служебной информации такой как посылка отказа; посылка на установление соединения; посылка отбоя. В каждом маршрутизаторе содержится таблица соответствия между адресом маршрутизатора на сети и адресом маршрутизатора в единой системе координат. Логический метод маршрутизации относится к статическому, поэтому данные в таблицу заносятся администратором сети. Данный метод маршрутизации не учитывает состояние каналов связи между узлами на сети, а при нахождение маршрута учитывает оптимальное расстояние между узлами. Таблицу соответствия можно разбить на три части. В первой части содержится информация о адресе данного маршрутизатора в обеих системах адресации, адрес в координатной сетке обозначим как ( , ). Значение адрес смежных с данным узлом маршрутизатором – ( ). Адреса удаленных узлов в координатной сетке – ( ). Производится анализ искомого адреса ( ) с собственным адресом маршрутизатора ( , ), В случае если = , , то запрашиваемый адрес находится в пределах сети данного маршрутизатора. В случае если , , то производится дальнейший анализ = , анализируется, – не является ли искомый узел смежным с данным маршрутизатором. Если данное условие не выполняется, то есть = , то искомый узел является удаленным, поэтому необходимо найти исходящий тракт максимально близкий к геометрическому направлению:

 

;

 

далее определяем  к смежным узлам:

 

,

 

при этом необходимо учитывать:

 

если  и , то ;

если  и , то ;

если  и , то ;

 

В схеме сравнения производится анализ  и , то есть определяется наименьший угол отклонения  от исходного :

 

,

 

Определив наименьший угол отклонения, определяется исходящий тракт, для дальнейшего следования. Далее проверяется ИПТС на доступность, если он не доступен, то производим процедуру по анализу следующего ИПТС, который имеет наименьший угол отклонения от исходного угла; если при анализе всех ИТПС не было обнаружено свободного тракта, то формируется посылка на отказ в соединении. Эта информация заносится в таблицу коммутации. В случае если определен исходящий тракт информация об этом поступает не только в таблицу коммутации, но и производится проверка на узел получения: то есть если дальнейший узел является оконечным то в его направлении формируется посылка на установление соединения.; если следующий узел является транзитным, то в его направлении формируется соответствующая посылка на установление соединения.

Ячейки пользовательской информации поступают в контроллер, где происходит обращение к таблице коммутации, для получении информации для прохождения по коммутационной матрице.

Формируется быстрый пакет, то есть к ячейки присоединяется новый заголовок, содержащий номера виртуальных каналов для прохождения по коммутационной системе (КС). После прохождения по коммутационной системе происходит удаление заголовка, и ячейки в дальнейшем передаются по соответствующему тракту. Структурная схема маршрутизатора приведена на рисунке 5.1.

 

6. Анализ маршрутизации Ш-ЦСИО

Постановка задачи

 

Спектр методов маршрутизации, которые можно применить на сетях связи, весьма широк: от простейших, фиксированных процедур, до весьма сложных. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Выбор того или иного метода маршрутизации значительно влияет, на финансовые вложения в сеть связи, эффективность использования ресурсов сети и качества обслуживания пользователя. Проведение экспериментальных исследований по функционированию методов маршрутизации непосредственно на действующих сетях связи связано с существенными техническими, организационными и финансовыми трудностями. Одним из путей решения данной проблемы является разработка математической модели, с помощью которой можно получить количественные оценки функционирования сети связи с тем или иным методом маршрутизации.

Задача, которая ставится в данной главе – это описание математической модели и методики анализа логического методов маршрутизации на Ш-ЦСИО.

Ш-ЦСИО имеет свои особенности:

1.Применение технологии виртуальных каналов – АТМ.

2.Использование в коммутаторах виртуальных каналов метода БПК.

3.Обслуживание неоднородного трафика, что связано с предоставлением пользователю различных видов сервиса.

4.Обеспечение требуемого качества обслуживания для различных видов сервиса.

Критерием анализа исследуемого метода маршрутизации примем качество обслуживания пользователей сети (вероятность потери сообщений, либо части сообщения; время задержки при передаче сообщения) при различных параметрах входного трафика. Считается, что структура сети, скорости передачи [Бит/сек] в ВТ и входящие потоки данных от пользователя определены заранее.

 

6.2 Математическая модель Ш-ЦСИО и методика анализа маршрутизации

 

Схематичное описание математической модели Ш-ЦСИО и методика анализа маршрутизации состоит из следующих этапов:

1.Описание исходных данных и определение ограничений математической модели.

2.Выбор критериев анализа маршрутизации на сети.

3.Описание потоковой модели, учитывающей метод маршрутизации на сети и виды сервиса Ш-ЦСИО.

4.Выбор системы массового обслуживания (СМО), описывающей процессы обработки потока ячеек АТМ от различных видов сервиса виртуальных трактов Ш-ЦСИО.

5.Определение вероятностно временных характеристик (ВВХ) функционирования Ш-ЦСИО.

Поэтапно рассмотрим математическую модель Ш-ЦСИО и методику анализа методов маршрутизации.

 

6.3 Описание исходных данных и определение ограничений математической модели

 

1. G(A_s,L_s) с множеством вершин (коммутаторы ВК) ;  и множество рёбер (ТПС) ;  соединяющих  и  вершины. ТПС ; характеризуется множеством виртуальных трактов

;  

 

и скоростей передачи данных [Бит/сек]

 

; ; .

 

Структура сети связи вложена в прямоугольную систему координат, то есть каждая вершина имеет координаты X_i,Y_j.

2. Абонентские пункты (АП) в модели отсутствует. Входные и выходные потоки данных приписываются ИКМВК и ВКМВК, которые непосредственно связаны с абонентскими пунктами. Данное ограничение модели не является принципиальным и при необходимости может быть снято.

3. Множество , определяет средние скорости поступления данных r-го вида сервиса в Ш-ЦСИО.

4. Вероятность поступления потока данных r-го вида сервиса в  ИКМВК для его последующей передачи  ВКМВК определяется матрицей тяготения:

 

.

 

5. Поступающий в сеть поток данных r-го вида сервиса характеризуется следующими параметрами:

· Пуассоновское распределение количества сообщений (заявок) (k), поступающих на обслуживание (передачу по сети), за время

Соответственно, математическое ожидание и дисперсия поступления k заявок r-го вида сервиса определяются:

 

 

Плотность распределения, математического ожидания и дисперсия времени между моментами поступления заявок r-го вида сервиса на обслуживание, соответственно определяются:

 

· Экспоненциальное распределение длительности одного сообщения (в единицах времени) r-го вида сервиса:

 

 

Соответственно, математическое ожидание и дисперсия длительности одного сообщения r-го вида сервиса определяется:

 

; .

 

Будем считать, что для r-го вида сервиса количество поступающих сообщений (заявок на обслуживание) за время Т для последующей передачи по сети и длительность передачи сообщений являются независимыми событиями. Данное условие накладывает определенные ограничения на математическую модель. Действительно, для некоторых видов сервиса (видеотелефония, телефония), для которых существует эффект повторных вызовов, данное ограничение является существенным недостатком. В тоже время для видов сервиса (видеоконференция, видеонаблюдения, аудио- и видеоинформация, звуковые сигналы, передача данных с высокой скоростью, телеуправление, телефакс, передача документов, видео высокого разрешения) допущение о независимости событий количества поступающих сообщений (заявок) на обслуживание и длительность их передачи является вполне приемлемым.

Следовательно, выражения:

 

; ,

 

соответственно, определяют математическое ожидание и дисперсию времени передачи сообщения r-го вида сервиса за период наблюдения Т.

Таким образом

 

, (6.1)

 

определяет количество данных (Бит) (интенсивность) r-го вида сервиса, которое должно поступить в сеть от пользователей со средней скоростью m(v_r) за период наблюдений Т.

Учитывая, что поток данных r-го вида сервиса с интенсивностью  на уровне адоптации AAL эталонной модели протоколов Ш-ЦСИО сегментируется по 48 байт и преобразуется в ячейки АТМ, то выражение

 

 (6.2)

 

определяет интенсивность поступления в Ш-ЦСИО ячеек r-го вида сервиса за время Т.

6. План распределения информации на сети задан виде набора векторов,

,

 

где ; ; ; ; степень a_i-го коммутатора ВК.

Элементы вектора задают вероятность того, что на этапе поиска маршрута к a_i ВКМВК в a_j транзитном коммутатореВК, начиная с ИКМВК, будет выбран v-й ВК. Процедура определения при использовании логического метода маршрутизации состоит из нескольких этапов:

 

; ; ; , где

 

-угол, определяющий геометрическое направление;

-углы, соответствующие исходящим трактам к смежным углам;

k- количество исходящих трактов в данном узле.

 

6.4 Выбор критериев анализа маршрутизации на сети

 

Критерием оценки функционирования метода маршрутизации (М) на Ш-ЦСИО за время наблюдений Т примем качество обслуживания пользователей сети  (вероятность потери сообщений, либо части сообщения; время задержки при передачи сообщений)при различных параметрах входного потока:

, при условии, что  определены заранее.

6.5 Описание потоковой модели, учитывающей метод маршрутизации на сети и виды сервиса Ш-ЦСИО

 

Отождествим вершины графа G(A_S,L_S) с состояниями конечной цепи Маркова. Из набора векторов (7.1) для r-го вида сервиса при поиске a_t-го ВКМВК можно получить матрицу переходных вероятностей [9].

 

; ,

 

где  вероятность перехода из a_i-го состояния в a_j-е при поиске a_t-го ВКМВК для r-го вида сервиса. Причем, состояние a_t, соответствующее a_t-му узлу-получателю (ВКМВК), определим поглощающим, то есть:

.

Матрица переходных вероятностей, описывающая вероятности переходов для поиска a_t-го коммутатора ВК будет иметь вид:

 

 

Интенсивность потока ячеек АТМ r-го вида сервиса в ; ;  при поиске a_t-го коммутатора ВК (ВКМВК) определяется следующим образом:

 

; .

Общая интенсивность потоков ячеек АТМ r-го вида сервиса в ;  при поиске a_t-го коммутатора ВК определится из системы уравнений:

; ; . (6.3)

 

Таким образом, мы получили взвешенный, граф каждому ребру (ВТ)  которого присвоено r значений интенсивностей потоков ячеек АТМ.

 

6.6 Выбор СМО, описывающей процессы обработки потока ячеек АТМ различных видов сервиса в виртуальных трактах Ш-ЦСИО

 

В качестве математической модели ВТ  примем СМО с относительными приоритетами (Рисунок 6.1), причем  - высший приоритет;  - низший приоритет; .

Высший приоритет присвоим тем видам сервиса, которые функционируют в реальном масштабе времени (критичны к задержкам во времени): телефония, видеотелефония, видеоконференция и т.д..

 

Данным видам сервиса соответствует СМО M/1//D/1, основной характеристикой которой является Р_пот - вероятность потери ячейки АТМ. Выбор детерминированной дисциплины обслуживания в СМО обусловлен тем, что обслуживаются (передаются) ячейки АТМ, имеющие фиксированную длину 53 байта.

Таким образом, используя известные подходы, появляется возможность расчёта вероятностно – временных характеристик виртуальных трактов Ш-ЦСИО:

m(T_{ож r}) – среднее время ожидания одной ячейки в очереди на обслуживание для r-го вида сервиса не критичного к задержкам во времени;

Р_пот – вероятность потери ячейки АТМ для видов сервиса, функционирующих в реальном масштабе времени.

 

Для : M/1//D/1; , ; ; .

 

Для ; h > 1;М/ ¥ /D/1;

 

;  - среднее время обслуживания одной ячейки АТМ;

 

; ; ; .

 

- обратно пропорционально скорости передачи в g-м ВТ (v^g_ij) и с учетом длины ячейки 53 байта определяется следующим образом:

 

; .

 

Таким образом, получены ВВХ для каждого виртуального тракта в Ш-ЦСИО(рисунок 6.2).

 

6.7Определение ВВХ функционирования Ш-ЦСИО

 

Усредняя ; Р^g_пот.ij; ;

 

определим их математическое ожидания:

; (6.4)

; . (6.5)

 

В результате получен взвешенный граф, каждому ребру (ТПС) которого присвоены искомые вероятностно – временные характеристики.

Выражения (6.4), (6.5) представляют собой матрицы размерностью (SxS), анализ которых позволяет оценить функционирование логического метода маршрутизации на Ш-ЦСИО.