Дослідження метрик маршрутизаторів глобальних мереж передачі даних

Abstract

Роботу присвячено розробці та дослідженню математичних моделей і методів для аналізу і розробки метрик маршрутизаторів глобальних мереж передачі даних. У метриках маршрутизації використовуються наступні показники: довжина маршруту; надійність; затримка; ширина смуги пропускання; навантаження каналів і вузлів; вартість зв’язку. В результаті їх комбінації отримують один окремий (гібридний) показник, який називається метрикою і є визначальним параметром при виборі маршруту з таблиць маршрутизації. Проведений аналіз протоколів маршрутизації (RIP, OSPF, IGRP, BGP-4 і EGP). Показано, що у всіх протоколах найкращий шлях вибирається з використанням комбінованих метрик (крім протоколу міждоменної досяжності EGP). Досліджений алгоритм маршрутизації в системі зі змінними параметрами, проведена його оптимізація. В багатосерверній системі (кількість серверів 20) оптимальним за мінімумом помилок (11,7 %) є алгоритм направлення заявок на наступний сервер після виникнення помилки маршрутизації, в той час як алгоритм почергового оброблення заявок дає 21.8 % помилок. При малій кількості каналів на серверах (2) кількість помилок цього алгоритму зростає до 31,0 %. Запропонований метод отримання узагальненої метрики маршрутизації при виборі оптимального маршруту передачі даних, що враховує: час затримки; пропускну здатність каналу; стійкість маршруту. Показані методи отримання адитивної, мультиплікативної, увігнутої метрики. Конкретизовані коефіцієнти, що враховують ступінь впливу характеристик каналів на складену метрику. Запропонована і досліджена математична модель маршрутизатора, а також модель маршрутизатора в системі Matlab Simulink, що дозволяє відстежувати поведінку маршрутизатора при різних швидкостях вхід-вихід, різні дисципліни обслуговування черг у вхідних і вихідних буферах, змінювати інтенсивність надходження пакетів, визначати об’єм втрачених даних та враховувати окремі складові метрики маршрутизації.Работа посвящена разработке и исследованию математических моделей и методов для анализа и разработки метрик маршрутизаторов глобальных сетей передачи данных. Показано, что использование механизма доставки пакетов становится возможным благодаря реализации во всех узлах глобальной сети протокола межсетевого обмена IP. Система адресов позволяет на каждом шлюзе выбирать однопутевой или многопутевой маршрут, основываясь на текущей информации о состоянии сети, которая повышает надежность системы в целом. Определенно, что основная цель применения маршрутизаторов - объединение разнородных сетей и обслуживание альтернативных путей передачи данные. Для маршрутизации сообщений в основном используются динамические алгоритмы маршрутизации, которые должны подстраиваться к параметрам сети, которые изменяются в масштабе реального времени. Динамические алгоритмы маршрутизации могут дополнять статические маршруты. В метриках маршрутизации используются следующие показатели: длина маршрута; надежность; задержка; ширина полосы пропускания; нагрузка каналов и узлов; стоимость связи. В результате комбинации перечисленных параметров получают один отдельный (гибридный) показатель, который является метрикой. Именно метрика является определяющим параметром при выборе маршрута из таблиц маршрутизации. Проанализированы алгоритмы нахождения кратчайшего пути (Дейкстры, Флойда, Йена). Показано, что известные алгоритмы требуют значительных вычислительных ресурсов - приблизительно О(n2) операций, где n - число узлов сети. Проведен анализ протоколов маршрутизации (RIP, OSPF, IGRP, BGP-4 и EGP). В протоколе RIP маршрут характеризуется вектором расстояния к месту назначения. Протокол OSPF используется в качестве внутренний протокол маршрутизации и характеризуется состоянием маршрута. Протокол IGRP,используя взвешивающие коэффициенты, адаптирует выбор маршрутов к требованиям конечного пользователя. Внешний протокол маршрутизации BGP-4 позволяет реализовать маршрутную политику, определенную администратором AS. Маршрутная политика определяет решение, когда место назначения достигается несколькими путями, требования безопасности, экономические интересы и др. Показано, что во всех алгоритмах выбирается наилучший путь с использованием комбинированных метрик. Протокол внешних маршрутизаторов EGP является протоколом междоменной досягаемости, который применяется в Internet, не использует показатели и потому содержит информацию только о досягаемости сетей. Исследован алгоритм, который осуществляет маршрутизацию в системе с переменными параметрами, проведена его оптимизация, которая заключается в распределении заявок по серверам так, чтобы минимизировать количество ошибок. Показано, что в многосерверной системе (количество серверов 20) оптимальным по минимуму ошибок (11,7 %) является алгоритм направления заявок на следующий сервер после возникновения ошибки маршрутизации, в то время как алгоритм поочередной обработки заявок дает 21,8 % ошибок. При малом количестве каналов на серверах (2) количество ошибок этого алгоритма возрастает до 31,0 %. Предложен метод получения обобщенной метрики маршрутизации при выборе оптимального маршрута передачи данных, который учитывает: время задержки; пропускную способность канала; стойкость маршрута. Показаны методы получения аддитивной, мультипликативной, вогнутой метрики. Конкретизированы коэффициенты, которые учитывают степень влияния характеристик каналов на составленную метрику маршрутизации. Предложена и исследована математическая модель маршрутизатора, который состоит из интерфейсов маршрутизатора, уровня сетевого протокола и уровня протоколов маршрутизации и функционирует в активном и пассивном режимах за протоколом RIP. Исследована модель маршрутизатора в системе Matlab Simulink, которая позволяет исследовать поведение маршрутизатора при разных скоростях вход-выход, разные дисциплины обслуживания очередей во входных и выходных буферах, изменять интенсивность поступления пакетов, определять объем потерянных данных и учитывать отдельные составляющие метрики маршрутизации. Work is devoted development and research of mathematical models andmethods for an analysis and development of metric routers of global networks transmissions data. The followings indexes are utillized in the metrics of routing: length of route; reliability; delay; B. key-in; loading of ductings and knots; cost of connection. As a result of their combination get one separate (hybrid) index which is named a birth-certificate and is a determining parameter at the choice of route from routing directories. The analysis protocols of routing (RIP, OSPF, IGRP, BGP-4 and EGP) is conducted. It is rotined that in all of protocols the best way gets out with the use of the combined birth-certificates (except for protocol of interblast-furnace reach of EGP). The algorithm of routing is investigational in the system with in-out parameters, his optimization is conducted. In the multiserver system (number of servers 20) optimum after a minimum of errors (11,7 %) is an algorithm of direction of requests on a next server after the origin of error of routing, in that time as an algorithm of by turn treatment of requests gives 21.8 % errors. At a few of number on servers (2) the amount of errors of this algorithm grows to 31,0 %. A method is offered of receipt of the generalized birth-certificate of routing at the choice of optimum route which takes into account transmissions given of: time of delay; carrying capacity of channel; firmness of route. The methods of receipt of aditivnoy, multiplicative, concave birth-certificate are rotined. Coefficients which take into account the degree of influence of descriptions of ductings on the made birth-certificate are specified. The mathematical model of router, and also model of router, is offered and investigational in the system of Matlab Simulink, which allows to probe the conduct of router at different speeds entrance-output, different disciplines of maintenance of turns in entrance and initial buffers, to change intensity of receipt of packages, determine the volume of the lost information.