مسیریابی لایه شبکه

مسیریابی لایه شبکه

هنگامی که یک دستگاه چندین مسیر برای رسیدن به مقصد دارد، همیشه یک مسیر را بیش از دیگر مسیرها ترجیح می دهند. این فرایند انتخاب به عنوان مسیریابی نامیده می شود. مسیریابی با دستگاه های شبکه خاص به نام مسیریاب و یا فرایندهای نرم افزاری انجام می شود. مسیریابهای مبتنی بر نرم افزار عملکرد و دامنه محدودی دارند.
یک مسیریاب همیشه با برخی مسیرهای پیش فرض پیکربندی شده است. مسیر پیش فرض به مسیریاب می گوید در صورتی که هیچ مسیری به مقصد مشخص نشد بسته را به کجا ارسال کند. مسیر های متعددی برای رسیدن به مقصد موجود است و مسیریاب می تواند تصمیم گیری خود را بر اساس اطلاعات زیر انجام دهد :

• تعداد گره میانی
• پهنای باند
• متریک
• پیشوند طول
• تاخیر انداختن
مسیرها را می توان بصورت استاتیک و یا پویا پیکربندی  کرد و مسیری پیکربندی می شود که بیش از دیگران ارجحیت دارد.

 مسیریابی تک پخشی (unicast routing)

بیشترین ترافیک بر روی اینترنت و شبکه های داخلی به عنوان داده های تک پخشی (unicast) و یا ترافیک تک پخشی با مقصد مشخص ارسال می شود. مسیریابی تک پخشی داده بر روی اینترنت به عنوان مسیریابی تک پخشی نامیده می شود. این ساده ترین شکل مسیریابی است زیرا مقصد در حال حاضر شناخته شده است. از این رو مسیریاب فقط به جدول مسیریابی نگاه می کند و بر این اساس بسته به گره بعدی فرستاده می شود.

مسیریابی پخش گسترده (Broadcast routing)

به طور پیش فرض، بسته های پخش گسترده توسط روتر روی هر شبکه ای مسیریابی و ارسال نمی شود. روترها حوزه های پخش گسترده ایجاد می کنند. اما می توان پیکربندی آن را به گونه ای انجام داد که پخش گسترده در برخی از موارد خاص صورت گیرد. یک پیام پخش گسترده به تمام دستگاه های شبکه در مقصد فرستاده می شود.
مسیریابی پخش گسترده به دو روش (الگوریتم) انجام می شود:
•  مسیریاب یک بسته داده را ایجاد کرده و سپس آن را به هر یک از میزبان ها یک به یک می فرستد. در این مورد، روتر نسخه های متعدد از بسته داده تنها با آدرس های مقصد مختلف ایجاد می کند. همه بسته ها به عنوان تک پخشی ارسال می شوند اما به دلیل آنکه برای همه فرستاده می شود، طوری شبیه سازی صورت می گیرد که گویی مسیریاب در حال پخش همگانی است.
این روش مقدار زیادی از پهنای باند را مصرف می کند و مسیریاب می بایست آدرس مقصد هر گره را داشته باشد.
• مرحله دوم، زمانی روتر یک بسته را دریافت می کند که نیاز به پخش گسترده آن می باشد، پس آن را به سادگی از تمامی رابط های کاربری گسیل می کند. همه روترها در به شیوه یکسان پیکربندی شده اند.

این روش بر روی پردازنده مسیریاب (CPU) به راحتی انجام می شود، اما ممکن است مشکل بسته های تکراری دریافت شده از روترهای همکار رخ دهد.
یک روش به نام ارسال مسیر معکوس () است که در آن روتر در مورد مسیرهای قبل مطلع می باشد. از طریق این مسیرها باید پخش همگانی دریافت شود. از این تکنیک برای تشخیص و جلوگیری از تکرار استفاده می شود.

 مسیریابی چندپخشی (Multicast routing)

مسیریابی چندپخشی حالت خاصی از مسیریابی پخش گسترده است که تفاوت معنی دار و چالش بر انگیزی دارد. در مسیریابی پخش گسترده، بسته به تمام گره ها ارسال می شود حتی اگر گره ها آن بسته را درخواست نداده باشند. اما در مسیریابی پخش چندگانه، داده ها تنها به گره هایی ارسال می شود که تقاضای دریافت آن بسته ها را داشته باشند.

مسیریاب باید بداند که گره هایی وجود دارند که مایل به دریافت بسته های چندپخشی (یا جریان) می باشند، پس بسته ها باید ارسال شوند.  مسیریابی چندپخشی از پروتکل درخت پوشا برای جلوگیری از حلقه استفاده می کند.
مسیریابی چندگانه نیز با استفاده از روش ارسال مسیر معکوس برای تشخیص و جلوگیری از تکرار و حلقه بکار می رود.

 مسیریابی پخش همگانی (anycast routing)

انتقال بسته های پخش همگانی مکانیسمی است که در آن میزبان های مختلف می توانند آدرس منطقی یکسان داشته باشند. هنگامی که یک بسته به مقصد این آدرس منطقی دریافت می شود، به نزدیکترین میزبان در توپولوژی مسیریابی ارسال می شود.

مسیریابی پخش همگانی با کمک سرور DNS  انجام می شود. هر زمان که یک بسته پخش همگانی دریافت شود، محل ارسال آن ازDNS  سوال می شود. سرورDNS  یک آدرس IP که نزدیکترین IP پیکربندی شده است را بر روی آن فراهم می کند.

 پروتکل مسیریابی تک پخشی (Distance Vector routing protocol)

دو نوع از پروتکل برای مسیریابی بسته های تک پخشی وجود دارد:

• پروتکل مسیریابی بردار فاصله
مسیریابی بردار فاصله، یک پروتکل ساده مسیریابی است که تصمیم های مسیریابی در خصوص تعداد hope های بین منبع و مقصد را می گیرد. یک مسیر با تعداد کمتری hope به عنوان بهترین مسیر در نظر گرفته می شود. هر روتر به روترهای دیگر مجموعه ای از بهترین مسیرها را نشان می دهد. در نهایت، تمام روترها توپولوژی شبکه خود را بر اساس مسیرهای روترهای همکار خود می سازند، برای مثال پروتکل اطلاعات مسیریابی (RIP) .

• پروتکل مسیریابی حالت پیوند
پروتکل حالت پیوند کمی پیچیده تر از پروتکل بردار فاصله است. حالت پیوندهای تمام مسیریاب های یک شبکه درون یک حساب کاربری قرار می گیرد. این روش به مسیرها کمک می کند تا یک نمودار مشترک از کل شبکه بسازند. پس از آن تمام مسیریاب ها بهترین مسیر خود را برای اهداف مسیریابی بدست می آورند. به عنوان مثال، روش های ابتدا کوتاهترین مسیر را انتخاب کردن (OSPF) و ​​سیستم میانی به سیستم میانی ​​(ISIS).

پروتکل مسیریابی چندپخشی (Multicast routing protocols)

پروتکل های مسیریابی تک پخشی از نمودار استفاده می کند در حالی که پروتکل های مسیریابی چندگانه از ساختار درخت استفاده می کند، به عنوان مثال درخت پوشا برای جلوگیری از ایجاد حلقه. درخت بهینه به عنوان درخت کوتاه ترین مسیر پوشا نامیده می شود.
• DVMRP - پروتکل مسیریابی چندگانه بردار فاصله
• OSPF - اولین کوتاهترین مسیر باز چندپخشی
• CBT - درخت بر اساس هسته
• PIM - پروتکل چندپخشی مستقل
پروتکل مستقل چندپخشی معمولا در حال حاضر استفاده می شود. این روش دو حالت دارد :
• حالت انبوه  PIM
این حالت با استفاده از درختان مبتنی بر منبع کار می کند و در محیط های متراکم مانند LAN  استفاده می شود.
• حالت پراکنده  PIM
این حالت با استفاده از درختان به اشتراک گذاشته شده کار می کند و در محیط های پراکنده مانند WAN  استفاده می شود.

 الگوریتم های مسیر یابی

الگوریتم های مسیریابی به شرح زیر است:

• الگوریتم سیل آسا (Flooding)

سیل آسا ساده ترین روش انتقال بسته است. هنگامی که یک بسته دریافت شود، مسیریاب آن را به تمام رابط های کاربری به جز همان دریافت کننده می فرستد. این کار باعث ایجاد بار بیش از حد بر روی شبکه و تعداد زیادی از بسته های تکراری سرگردان درون شبکه می شود.
برای جلوگیری از حلقه بی نهایت بسته ها شمارنده زمانی (TTL)  استفاده می شود . روش دیگری به نام سیل آسا انتخابی برای کاهش سربار در شبکه نامیده می شود. در این روش، مسیریاب در تمام رابط ها جریان سیل ایجاد نمی کند.

• الگوریتم کوتاه ترین مسیر (Shortest path)

تصمیم مسیریابی در شبکه ها، عمدتا بر اساس هزینه بین منبع و مقصد صورت می گیرد. تعداد گره های میانی () نقش عمده ای در اینجا ایفا می کند. الگوریتم کوتاه ترین مسیر یک تکنیک است که با استفاده از الگوریتم های مختلف برای تصمیم گیری یک مسیر با حداقل تعداد گره بکار می رود.
الگوریتم های کوتاه ترین مسیر رایج عبارتند از:
• الگوریتم دیکسترا
• الگوریتم بلمن فورد
• الگوریتم فلوید  وارشال