Chapter 10 Routing Algorithm , Congestion , QOS

1. Chapter 10Routing Algorithm , Congestion , QOS

2. Network Layer Design Issues • การสลับเส้นทางเดินแพ็กเกตด้วยวิธีจัดเก็บและส่งต่อ (Store-and-Forward Packet Switching) • การบริการให้กับชั้นสื่อสารนำส่งข้อมูล(Services Provided to the Transport Layer) • การให้บริการบนระบบสื่อสารแบบไม่มีการเชื่อมต่อ(Implementation of Connectionless Service) • การให้บริการบนระบบสื่อสารแบบมีการเชื่อมต่อ(Implementation of Connection-Oriented Service) • การเปรียบเทียบระหว่างวงจรเสมือนและดาต้าแกรม(Comparison of Virtual-Circuit and Datagram Subnets)

3. Store-and-Forward Packet Switching • แพ็กเกตจะถูกจัดเก็บไว้จนกว่าข้อมูลทั้งแพ็กเกตจะเดินทางมาถึงอย่างครบถ้วน • Router จะทำการตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลก่อนส่งต่อให้ router ตัวต่อไป The environment of the network layer protocols.

4. Services Provided to the Transport Layer วัตถุประสงค์ในการออกแบบบริการในชั้นควบคุมเครือข่าย • บริการที่มีให้แก่ชั้นนำส่งข้อมูลต้องเป็นอิสระจากเทคโนโลยีที่ใช้ในการค้นหาเส้นทางเดินข้อมูล • ชั้นนำส่งข้อมูลจะต้องไม่ไปเกี่ยวข้องกับโครงสร้างของเส้นทางเดินข้อมูล • วิธีการกำหนดที่อยู่ในเครือข่ายที่ส่งให้ชั้นนำส่งข้อมูลจะต้องอยู่ในรูปแบบมาตรฐานที่เป็นที่เข้าใจได้แม้ในระบบต่างแบบกัน

5. Connectionless and Connection-oriented Services • บริการที่มีให้ในชั้นควบคุมเครือข่ายมี 2 แบบ • Connectionless Service • แพ็กเกตถูกจัดเส้นทางอย่างอิสระจากแพ็กเกตอื่นๆ • แพ็กเก็ตดังกล่าวเรียกว่า Datagram • ระบบเครือข่ายย่อยเรียกว่า datagram subnet • Connection-orientedService • เส้นทางเดินข้อมูลจาก router ต้นทางไปยัง router ปลายทางต้องถูกกำหนดขึ้นก่อน • การเชื่อมต่อแบบนี้เรียกว่าวงจรเสมือน (virtual circuit) • ระบบเครือข่ายย่อยเรียกว่าvirtual circuit subnet

6. Implementation of Connectionless Service Routing within a diagram subnet.

7. Implementation of Connection-Oriented Service Routing within a virtual-circuit subnet.

8. Routing Algorithms • The Optimality Principle • Shortest Path Routing • Flooding • Distance Vector Routing • Link State Routing • Hierarchical Routing • Broadcast Routing • Multicast Routing • Routing for Mobile Hosts • Routing in Ad Hoc Networks

9. Routing Algorithms (2) ถ้าปริมาณข้อมูลที่ไหลจาก A ไป A’ จาก B ไป B’ และจาก C ไป C’ มากพอที่จะทำให้การส่งข้อมูลทางแนวราบอิ่มตัว ถ้าต้องการให้ระบบนี้มีประสิทธิภาพโดยรวมสูงสุดแล้ว การสื่อสารระหว่าง X และ X’ ควรจะต้องถูกระงับไว้ก่อน Conflict between fairness and optimality.

10. The Optimality Principle ถ้า router หนึ่ง (จุด B) อยู่บนเส้นทางที่เหมาะสมที่สุดระหว่างผู้ส่ง (จุด A) และผู้รับข้อมูล (จุด C) แล้ว เส้นทางนั้นจะเป็นเส้นทางที่เหมาะสมที่สุดระหว่าง router นั้น (จุด B) กับผู้รับข้อมูล (จุด C) ด้วย (a) A subnet. (b) A sink tree for router B.

11. Shortest Path Routing Dijkstra (1959) ได้นำเสนอalgorithmสำหรับการค้นหาเส้นทางที่สั้นที่สุดระหว่างจุด2จุด The first 5 steps used in computing the shortest path from A to D. The arrows indicate the working node.

12. Flooding • เป็นวิธีการที่ไม่ปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมของระบบ • Router จะส่งแพ็กเกตที่รับเข้ามาออกไปทุกทิศทางที่มีการเชื่อมต่อกับ router ยกเว้น router ที่เป็นผู้ส่งเข้ามา • วิธีนี้จะเพิ่มปริมาณข้อมูลในเครือข่ายเข้ามาอย่างมากมายซึ่งส่วนมากจะเป็นข้อมูลที่ซ้ำกัน • ต้องมีกรรมวิธีอื่นเข้าช่วยเพื่อไม่ให้เกิดข้อมูลมหาศาลในเครือข่าย • การใส่ต้วเลขนับจำนวน router เข้าไปในข้อมูลส่วนหัว • การจัดทำบันทึกแพ็กเกตที่ได้ส่งออกไปแล้วเพื่อที่จะได้ไม่ต้องส่งออกไปอีก

13. Distance Vector Routing • เป็น algorithm เลือกเส้นทางแบบ dynamic • Router ต้องสร้างตารางเก็บข้อมูลซึ่งบอกระยะทางและเส้นทางที่ดีที่สุดในการส่งแพ็กเกตไปยัง router ต่างๆ • มีการปรับปรุงข้อมูลในตารางอยู่เสมอโดยแลกเปลี่ยนข่าวสารกันระหว่าง router ที่อยู่ติดกัน • มาตรวัดที่ใช้ได้แก่ จำนวน router ในเส้นทาง เวลารอคอยตลอดเส้นทาง จำนวนแพ็กเกตที่รอการนำส่ง เป็นต้น

14. Distance Vector Routing ถ้า Router J ต้องการคำนวนเวลาส่งข้อมูลไปยัง Router G: 1) ส่งข้อมูลผ่าน Router Aใช้เวลา 8 มิลลิวินาที 2) จาก A ไปยัง G ใช้เวลา 18 มิลลิวินาที่ เวลารวม = 8+18=28 มิลลิวินาที ในทำนองเดียวกัน ถ้าส่งผ่าน I, H, และ K จะใช้เวลารวม (10+31=41), (12+6=18), และ (6+31=37) ตามลำดับ เวลาที่ดีที่สุดคือ18 ดังนั้น J บันทึกเวลา18 ผ่าน H (a) A subnet. (b) Input from A, I, H, K, and the new routing table for J.

15. Link State Routing • เป็น algorithm แบบ dynamicเหมาะสำหรับสายส่งที่มีความเร็วสูง • แต่ละ Routerต้องต้องทำสิ่งต่อไปนี้ • ทำความรู้จักกับ Router ข้างเคียงและเรียนรู้ที่อยู่บนเครือข่ายของ Router เหล่านั้น • คำนวณระยะเวลารอคอยหรือ cost ในการติดต่อกับ router ข้างเคียง • สร้างแพ็กเกตสำหรับส่งข้อมูลที่ตนเองรวบรวมมาได้ • ส่งแพ็กเกตไปยัง router ทุกตัว • คำนวณระยะทางที่สั้นที่สุดสำหรับการติดต่อไปยังแต่ละ router

16. Hierarchical Routing • ผลที่ตามมาจากการที่เครือข่ายมีจำนวน router มากขึ้นเรื่อยคือ • เป็น algorithm ที่แบ่ง router ในระบบออกเป็นกลุ่มเล็กๆเรียกว่า region • Router ใน region เดียวกันทราบเส้นทางที่จะส่งข้อมูลถึงกัน แต่ไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับ router ใน region อื่น

17. Hierarchical Routing ตัวอย่างการจัดแบ่งกลุ่มข้อมูลออกเป็น 2 ระดับ ประกอบด้วย 5region: การจัดแบบเดิม router 1A ต้องมีข้อมูลถึง 17 รายการ เมื่อจัดแบบ 2 ระดับ router 1A จะมีรายการเหลือเพียง 7 รายการ ดังนั้นเมื่อจำนวน router เพิ่มมากขึ้นเท่าใด วิธีการนี้จะช่วยลดจำนวนรายการในตารางข้อมูลได้มากยิ่งขึ้น Hierarchical routing.

18. Broadcast Routing ต้องการให้ Host สามารถส่งข่าวสารชุดเดียวกันไปยัง Host อื่นๆได้หลายตัวหรือทุกตัวในระบบ • ส่งข้อมูลโดยตรง • สร้างแพ็กเกตขึ้นมาเท่ากับจำนวน node ทั้งหมดในเครือข่าย • แต่ละแพ็กเกตระบุแอดเดรสของแต่ละ node • ส่งโดยวิธีการ Flooding - มีการสำเนาข้อมูลจำนวนมาก ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบลดลง • ส่งแบบ Multi-destination routing • แต่ละแพ็กเกตบรรจุรายการที่อยู่ของจุดหมายปลายทางที่ต้องการทั้งหมด • router ตรวจสอบรายการของผู้รับทั้งหมดเพื่อเลือกสายสื่สารที่ต้องใช้แล้วสำเนาแพ็กเกตให้เท่ากับจำนวนสายสื่อสารที่เลือกไว้แล้วปรับปรุงรายการที่อยู่ของผู้รับของแต่ละแพ็กเกตให้ถูกต้อง • หลังจากกระจายไปสักพัก แพ็กเกตที่ยังไม่ถึงผู้รับจะเป็นแพ็กเกตรรมดาคือมีผู้รับเพียง node เดียว • นำหลักการของ sink tree และ spanning tree มาใช้

19. Broadcast Routing Reverse path forwarding. (a) A subnet. (b) a Sink tree. (c) The tree built by reverse path forwarding.

20. Multicast Routing • จัดตั้งกลุ่ม – สร้าง ทำลาย เข้าร่วมเป็นสมาชิก ลาออกจากกลุ่ม เพื่อใช้เป็นข้อมูลสำหรับหาเส้นทาง • Router แต่ละตัวสร้าง spanning tree ของตนเอง • เมื่อ process ทำการแพร่กระจาย packet ข่าวสารออกไปยังกลุ่มของตน router ตัวแรกที่รับแพ็กเกตได้จะเป็นตัวตรวจสอบ spanning tree อย่างทั่วถึง เส้นทางใดไม่สามารถติดต่อกับ host ที่เป็นสามาชิกกลุ่มได้ ก็ตัดทิ้งออกไป

21. Multicast Routing (a) A network. (b) A spanning tree for the leftmost router. (c) A multicast tree for group 1. (d) A multicast tree for group 2.

22. Congestion Control

23. Congestion Control Algorithms • General Principles of Congestion Control • Congestion Prevention Policies • Congestion Control in Virtual-Circuit Subnets • Congestion Control in Datagram Subnets • Load Shedding • Jitter Control

24. Congestion When too much traffic is offered, congestion sets in and performance degrades sharply.

25. General Principles of Congestion Control • คอยจับตาดูระบบ เพื่อค้นหาส่วนที่เกิดปัญหาความคับคั่งของข้อมูล • ส่งข่าวสารนี้ไปบอกหน่วยที่รับผิดชอบการแก้ปัญหา • ปรับการทำงานของระบบเพื่อแก้ปัญหาที่เกิดขึ้น

26. Policies that affect congestion 5-26

27. Congestion Control in Virtual-Circuit Subnets (a) A congested subnet. (b) A redrawn subnet, eliminates congestion and a virtual circuit from A to B.

28. Hop-by-Hop Choke Packets (a) A choke packet that affects only the source. (b) A choke packet that affects each hop it passes through.

29. Jitter Control (a) High jitter. (b) Low jitter. Jitter: delay of packet delivery

30. Quality of Service

31. Quality of Service • ความต้องการ (Requirements) • เทคนิคเพื่อให้ได้คุณภาพการให้บริการสูง (Techniques for Achieving Good Quality of Service) • การให้บริการแบบรวมการ (Integrated Services) • การให้บริการแยกเฉพาะ (Differentiated Services) • Label Switching and MPLS

32. Requirements How stringent the quality-of-service requirements are. 5-30

33. Buffering การทำให้การนำส่งแพ็กเกตราบรื่นด้วยการใช้ Buffer

34. The Leaky Bucket Algorithm อัลกอริธึมถังน้ำรั่ว (a) A leaky bucket with water. (b) a leaky bucket with packets.

35. The Token Bucket Algorithm (a) Before. (b) After. 5-34

36. Admission Control An example of flow specification. 5-34

37. Packet Scheduling (a) A router with five packets queued for line O. (b) Finishing times for the five packets.

38. Integrated Services • สถาปัยกรมสำหรับกระแสข้อมูลมัลติมีเดีย • Flow-based algorithm • ใช้กับงานประยุกต์ทั้งประเภท unicast และ Multicast • Resource reServation Protocol (RSVP) • พัฒนาโดย Zhang et al., 1993 • ผู้ส่งหลายคนสามารถกระจายข้อมูลไปยังผู้รับหลายกลุ่มได้ • ผู้รับแต่ละคนสามารถเปลี่ยนไปรับข่าวสารจากผู้ส่งคนใดก็ได้เมื่อต้องการ • บริหารการใช้ช่วงสัญญาณสื่อสารอย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่พยายามกำจัดปัญหาความคับคั่งของข้อมูล

39. RSVP-The ReSerVation Protocol (a) A network, (b) The multicast spanning tree for host 1. (c) The multicast spanning tree for host 2.

40. RSVP-The ReSerVation Protocol (2) (a)Host 3 requests a channel to host 1. (b) Host 3 then requests a second channel, to host 2. (c) Host 5 requests a channel to host 1.

41. Expedited Forwarding การจัดส่งข้อมูลเร่งด่วน (มาตรฐาน RFC 3246) กำหนดโดย IETF Expedited packets experience a traffic-free network.

42. Assured Forwarding A possible implementation of the data flow for assured forwarding.

43. Label Switching and MPLS พัฒนาโดยกลุ่มผู้ผลิต router โดยเพิ่มป้ายชื่อหรือ label เข้าไปที่ส่วนหน้าของแพ็กเกตและจัดการค้นหาเส้นทางเดินของข้อมูลโดยใช้ข้อมูลจาก label แทนที่จะเป็นหมายเลขที่อยู่ของผู้รับ เทคนิคนี้สามารถค้นหาเส้นทางได้อย่างรวดเร็วและสามารถจัดสำรองทรัพยากรที่ต้องการไว้ให้ได้ตลอดเส้นทางที่นำส่งข้อมูล Transmitting a TCP segment using IP, MPLS, and PPP.

44. จบบท