Routing in packet switching networks (MẠNG VIỄN THÔNG SLIDE)

Routing in Packet NetworksShortest Path Routing... Các giải pháp Shortest PathCác giao thức Vector Cự ly Distance Vector Protocols  Các nút kề neighbors trao đổi danh sách ca

Bài giảng Mạng Viễn thông (33BB)

Routing in Packet Networks

Shortest Path Routing

Định tuyến trong Packet Networks

 Có 3 tuyến (routes) từ 1 tới 6:

 Tuyến nào “tốt nhất”?

nhất? Chi phí thấp nhất? Tin cậy nhất?

Yêu cầu về thuật toán định tuyến

 Cấu hình hay băng thông, nghẽn

 Xác định nhanh các router tạo nên tập hợp các tuyến

 Mức độ sử dụng tài nguyên, độ dài đường

 Làm việc được trong điều kiện tải cao, nghẽn mạch,

hỏng hóc thiết bị, triển khai nhầm….

 Thực hiện phần mềm hiệu quả, tải xử lý nhỏ

C

D

1 5

2 3

7 1

8

5

3 6

5

2

Switch or router Host VCI

Định tuyến trong Virtual-Circuit

Packet Networks

tiếp theo tuyến đã chọn

 From A & VCI 5 → 3 & VCI 3 → 4 & VCI 4

2 2

3 3

4 4

5 2

6 3

Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Node 6 Node 5 1 1

2 4

4 4

5 6

6 6

1 3

2 5

3 3

4 3

5 5

Destination Next node 1 1

3 1

4 4

5 5

6 5

1 4

2 2

3 4

4 4

6 6

1 1

2 2

3 3

5 5

6 3

Destination Next node

Destination Next node Destination Next node

Destination Next node Destination Next node

Bảng Định tuyến trong

Datagram Packet Networks

0000

0111

1010 1101

0001

0100

1011 1110

0011

0101

1000 1111

0011

0110

1001 1100

R1

1

4 3

 Không có quan hệ giữa các địa chỉ gần nhau

 Bảng định tuyến cần 16 số

0000

0001

0010 0011

0100

0101

0110 0111

1100

1101

1110 1111

1000

1001

1010 1011

1

4 3

Địa chỉ có Phân cấp và Định tuyến

 Các tiếp đầu chỉ thi mạng trạm nối tới

 Bảng định tuyến chỉ cần 4 số

Định tuyến Đặc biệt

Gửi một packet tới tất cả các nút trong mạng

 Sử dụng khi cần quảng bá packet tới tất cả các nút (VD: lan truyền thông tin trạng thái link)

Giải pháp

 Gửi packet tới tất cả các ports trừ port tới

Flooding Giới hạn

hàm mu, có thể gây tắc nghẽn mạng

 Giải pháp giới hạn số packets

chặng tới một đường kính nhất định

loại bỏ truyền lặp

lại địa chỉ nguồn và số thứ tự và loại bỏ truyền lặp

Deflection Routing

port)

packet tới port khác

topology)

 Mạng Manhattan street

 Mảng vuông của các nút

 Nút được ký hiệu ( i,j)

 Hàng chạy một chiều

 Cột chạy 1 chiều

 Đề xuất cho mạng optical packet

Shortest Paths & Routing

 Có nhiều đường nối nguồn bất kỳ tới đích bất kỳ

 Định tuyến liên quan đến việc chọn ra đường sử dụng để thực hiện một chuyển tiếp packet

 Có thể gắn một giá trị “chi phí” hay “cự ly” cho một tuyến nối hai nút mạng

 Định tuyến trở thành bài toán tìm đường ngắn nhất (shortest path problem)

Routing Metrics

Là phương tiện đo độ mong muốn của một đường (path)

 Số chặng (Hop count): là đại lượng thô (rough) về tài nguyên sử dụng

 Độ tin cậy (Reliability): độ khả dụng của tuyến; BER

 Trễ (Delay): tổng trễ theo đường (path); phức tạp & có tính động

 Băng thông (Bandwidth): “dung lượng khả dụng” trong một đường

 Tải (Load): Mức độ sử dụng tuyến & router trên một đường

 Chi phí: $$$

Các giải pháp Shortest Path

Các giao thức Vector Cự ly (Distance Vector Protocols)

 Các nút kề (neighbors) trao đổi danh sách các cự ly tới đích

 Xác định chặng tiếp theo tốt nhất cho từng đích

 Thuật toán (phân tán) đường ngắn nhất Ford-Fulkerson

Các giao thức Trạng thái Tuyến (Link State Protocols)

 Thông tin trạng thái tuyến được đánh tràn (flood) tới tất cả các routers

 Các routers có đầy đủ thông tin về topology của mạng

 Tính toán đường ngắn nhất (Shortest path) và chặng tiếp theo

 Thuật toán (tập trung) đường ngắn nhất Dijkstra

g Q L

Vector Cự ly

Do you know the way to Hạ Long?

Vector Cự ly

Các biển chỉ đường tại chô

Bảng định tuyến

Danh sách thông tin cho

trao đổi các dữ liệu (entries)

theo tốt nhất hiện xác định được

kề biết

 Theo chu kỳ

 Sau khi có thay đổi

dest next dist

Đường ngắn nhất tới HL

Hạ Lo ng

Cij

Di Nếu Di là cự ly ngắn nhất từ nút i tới HL,

và nếu j là nút kề trên đường ngắn nhất tìm được, thì D = C + D

Các nút tìm đường ngắn nhất tới một nút

đích, vd., tới Hạ Long

i không biết đường ngắn nhất tới HL mà

chỉ có thông tin tại chỗ từ các nút kề

Dj"

Cij”

i

Hạ Lo ng

Đường ngắn nhất tới HL

Why Distance Vector Works

Hạ

Long

1 Hop From HL

2 Hops From HL

Hop-1 nodes calculate current (next hop, dist), & send to neighbors

Bellman-Ford Algorithm

 Xét tính toán cho một đích d

 Khởi tạo

 Bảng của mỗi nút có 1 hàng cho đích d

 Cự ly của nút d tới chính nó bằng 0: D d =0

 Cự ly của một nút khác j tới d bằng vô cùng: D j =, for j d

 Nút của chặng tiếp theo n j = -1 chỉ thị chưa được xác định cho j  d

 Thay (nj, Dj(d)) cu bằng (nj*, Dj*(d)) mới nếu tìm

thấy nút tiếp theo mới hoặc có cự ly mới

 Chuyển tới Bước Truyền

Bellman-Ford Algorithm

 Xét trường hợp tính toán song song cho tất cả các đích d

 Khởi tạo

 Mỗi nút có 1 hàng cho mỗi đích d

 Cự ly của nút d tới bản thân bằng 0: D d (d)=0

 Cự ly của một nút khác nút j tới d bằng vô cùng: D j (d)=  , for j 

 Thay (nj , D i (d)) cu bằng (n j *, D j *(d)) mới nếu tìm thấy nút tiếp theo

mới hay cự ly mới

Chuyển đến Bước Truyền

Iteration Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Node 5

5

4

6 2

2

3

4

2 1

1

2 3

Long

Dữ liệu Bảng

@ nút 1tới đích HL

Dữ liệu Bảng

@ nút 3tới đích HL

Iteration Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Node 5

D6=0

D 3 =D 6 +1

n 3 =6

3 1

5

4

6 2

2

3

4

2 1

1

2 3

Iteration 1: Nút 6 truyền

thông tin cho 3 và 5

Iteration Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Node 5

3 1

5

4

6 2

2

3

4

2 1

1

2 3

5

0 1

2

3

3

6

Iteration 2: Nút 3 và nút 5

truyền thông tin cho 1, 4 và 2

Iteration Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Node 5

3 1

5

4

6 2

2

3

4

2 1

1

2 3

5

0 1

2 4

3 3

4

Iteration 3: Cập nhật

Iteration Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Node 5

3 1

1

2 3

5

0 1

2

3 3

Iteration Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Node 5

3 1

5

4

6 2

2

3

4

2 1

1

2 3

Iteration Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Node 5

3 1

5

4

6 2

2

3

4

2 1

1

2 3

2

5

5 7

4

7

6

5

4

6 2

2

3

4

2 1

1

2 3

0

7 7

5

6 9

2

Counting to Infinity Problem

Nodes believe best path is through each other

(Destination is node 4)

Problem: Bad News Travels Slowly

Giải pháp khắc phục

nút kề đã nhận thông tin

đã nhận thông tin, nhưng với cự ly bằng vô cùng

Split Horizon with Poison Reverse

Nodes believe best path is through

each other

Update Node 1 Node 2 Node 3

Before break (2, 3) (3, 2) (4, 1)

After break (2, 3) (3, 2) (-1, ) Node 2 advertizes its route to 4 to

node 3 as having distance infinity; node 3 finds there is no route to 4

1 (2, 3) (-1, ) (-1, ) Node 1 advertizes its route to 4 to

node 2 as having distance infinity; node 2 finds there is no route to 4

2 (-1, ) (-1, ) (-1, ) Node 1 finds there is no route to 4

Link-State Algorithm

 Mỗi nút nguồn lấy một bản đồ của tất cả các nút và link

metrics (link state) của toàn bộ mạng

 Tìm đường ngắn nhất trên bản đồ từ nút nguồn đến nút đích

 Tất cả các nút i trong mạng phát quảng bá tới tất cả các

nút khác trong mạng:

 Các ID của các nút kề: Ni=tập hợp các nút kề của nút i

 Cự lý tới các nút kề với nó: {Cij | j Ni}

 Sử dụng đánh tràn để quảng bá packets

Tìm các đường ngắn nhất bằng

thuật toán Dijkstra

Nút kề gần nhất cách s 1 chặng

w

"

x

x'

Nút kề gần thứ hai tiếp theo

cách s hay w” 1 chặng

x

z z'

Nút gần kề thứ 3 cách s một chặng từ s, w”, hay x

w '

Tìm các đường ngắn

nhất từ nguồn s tới tất

cả các đích

Thuật toán Dijkstra’s

 N: tập hợp các nút nằm trên đường shortest path dã chọn

 Khởi tạo: (Bắt đầu từ nút nguồn s)

 N = {s}, Ds = 0, “s cách bản thân cự ly bằng không”

 Dj=Csj với tất cả j  s, cự ly s tới các nút kề nối trực tiep

 Bước A: (Tìm nút có cự ly nhỏ nhất i)

 Find i  N sao cho

 Di = min Dj for j  N

 Bổ xung vào N

 Nếu N chứa tất cả các nút thì dừng lại

 Step B: (cập nhất các chi phí tối thiểu

 Với mỗi nút j  N

 Dj = min (Dj, Di+Cij)

Quay về bước A

Cự ly tối thiểu từ s tới j qua nút i

trong N

Execution of Dijkstra’s algorithm

3 23

5 2

3 23

5 2

4

3 3

3 23

5 2

3 23

5 2

4

33 1

3 23

5 2

3 23

5 2

4

33 1

3 23

5 2

Shortest Paths in Dijkstra’s

3 23

5 2

3 23

5 2

3 23

5 2

3 23

5 2

3 23

3 23

5

2 33

48

Phản ứng với Hỏng hóc

 Nếu có tuyến bị lỗi,

 Bộ định tuyến đặt cự ly tuyến bằng vô cùng & đánh tràn mạng bằng môtk packet cập nhật

 Tất cả các bộ định tuyến cập nhật ngay cơ sở dữ liệu của chúng & tính toán lại các đường ngắn nhất

 Cho phép khôi phục rất nhanh

 Tuy nhiên, cần thận trọng với các bản tin cập nhật cu

 Cần bổ sung time stamp hay số thứ tự vào mỗi bản tin cập nhật

 Kiểm tra xem mỗi bản tin cập nhật nhận được có phải mới hay không

 Nếu mới, bổ sung bản tin vào database và quảng bá

 Nếu cu, gửi bản tin cập nhật trên tuyến tới

Tại sao thuật toán trạng thái

tuyến tốt hơn?

 Nhanh, hội tụ không cần lặp

 Hỗ trợ các metrics chính xác, và đa metrics nếu cần thiết (throughput, delay, cost,

reliability)

 Hỗ trợ đa đường tới một đích

ngắn nhất

Source Routing

 Strict: chuỗi các nodes trong đường được chèn vào header

 Loose: chuỗi các nodes trên path được xác định

loại bỏ địa chỉ

route server

thông tin đi qua trong mạng

các dịch vụ của nhà cung cấp

B Source host