A hálózati réteg feladata a csomagok eljuttatása a forrástól a célig. A célig egy csomag valószínûleg több csomópontot is érint. Ehhez természetesen ismerni kell az átviteli hálózat felépítését, azaz a topológiáját, és ki kell választania a valamilyen szempontból optimális útvonalat. Ha a forrás és a cél eltérõ típusú hálózatokban vannak, a réteg feladata a hálózatok közti különbségbõl adódó problémák megoldása.

A megvalósításnál figyelembe kell venni azt a tényt, hogy alapvetõen két eltérõ hálózatszervezési módszer létezik: az egyik az összeköttetés alapú, a másik az összeköttetés mentes. Az összeköttetés alapú hálózatoknál az összeköttetést virtuális áramkörnek (VÁ) szokták nevezni. A forrás és a cél között felépült állandó úton vándorolnak a csomagok, de egy fizikai közeget egyszerre több virtuális kapcsolat használhat. Összeköttetés mentes hálózatokban az áramló csomagokat datagramoknak nevezik.

Milyen elõnyei, illetve hátrányai vannak ezen kétféle módszernek?

Elõször is le kell szögeznünk, hogy egyik mellett sem szól olyan döntõ érv, ami az alkalmazásának a gyõzelmét jelentené. Nézzük elõször az üzenetek hosszát! Ha a csomagok nagyon rövidek, akkor a teljes célcím — ami a csomagküldéshez kell általában jóval hosszabb mint a virtuális áramkört azonosító kód — csökkenti a hasznos adatátviteli sebességet. Azonban olyan rendszerekben, amelyekben tranzakciókat dolgoznak fel (hitelkártya kódellenõrzés), a kapcsolat felépítésének majd lebontásának idõtartama olyan idõtöbbletet jelent, amiért nem érdemes ezt az összeköttetési módot használni.

A legnagyobb gond a virtuális áramkörök biztonsága: egy virtuális áramköri táblázatokat tartalmazó IMP gép meghibásodása miatt az összes rajta átmenõ nyilvántartott virtuális áramkört újra kell építeni, és a félbeszakadt üzeneteket újra adni. Csomagkapcsolás esetén nem ilyen tragikus a helyzet, hiszen azokat a csomagokat kell újra adni, ami éppen továbbítás alatt volt. A következõkben egy táblázatban [1] hasonlítjuk össze a két módszert:

Forgalomirányítás

A forgalomirányítás (routing) feladata a a csomagok hatékony (gyors) eljuttatása az egyik csomópontból a másikba, illetve a csomagok útjának a kijelölése a forrástól a célállomásig.

A hálózatot célszerû gráfként modellezni, ahol a csomópontok a csomagtovábbító IMP-k, és a csomópontokat összekötõ élek az IMP-k közötti információs adattovábbító csatornák. A csomagok a hálózati vonalakon keresztül jutnak egy IMP-be, majd az valamilyen irányba továbbküldi a csomagokat. Mivel az ilyen hálózati csomópontok irányítási, továbbküldési kapacitása véges, elképzelhetõ a csomagok sorban állása a bemenõ oldalon.

A forgalomirányítási szemléletünket nagyon jól segíti az olyan analógia, ahol a hálózatot a közúti hálózat, míg a csomagokat az autók képviselik. A csomópontok pedig természetesen az útkeresztezõdések.

Vonalkapcsolt hálózatoknál az útvonal kijelölése a hívás felépítésének fázisában történik. Csomagkapcsolt hálózatokban az útvonal kijelölése vagy minden csomagra egyedileg történik, vagy kialakít egy olyan útvonalat amelyen egy sorozat csomag megy át. Ezért a csomópontoknak ún. routing táblákat kell tartalmaznia, amiben a vele kapcsolatban álló csomópontokra vonatkozó adatok (pl. távolság) be van jegyezve

A forgalomirányítás összetettségét alapvetõen meghatározza a hálózat topológiája. Például egy csillaghálózatban, mivel a csillag központjában lévõ csomóponton keresztül történik az adatátvitel, kizárólag ennek kell rendelkeznie a forgalomirányításhoz szükséges minden információval.

Egy másik ilyen szempontból egyszerû elrendezés a két irányú kommunikáció miatt duplán kialakított gyûrû, hiszen csomópontból csak két irányba lehet elküldeni a csomagokat, bár a két lehetséges út közül az egyik általában rövidebb a másiknál. Ezért vagy minden csomópont egy routing táblát tartalmaz, amiben az összes többire vonatkozó távolság be van jegyezve, vagy a csomópontok számozási rendszere olyan, hogy a címe alapján a távolság meghatározható. Egy gyûrû esetén egyirányú pont-pont kapcsolat van, tehát a forgalomirányítás a másik pontba való küldésre egyszerûsõdik.

Általában is elmondható, hogy szabályos elrendezések esetében általában könnyebb az optimális forgalomirányítási algoritmus kidolgozása. A legtöbb valóságos hálózat lényegesen bonyolultabb topológiájú, szabálytalan szövevényes és sokszor állandóan változó szerkezettel rendelkezik.

A forgalomirányító algoritmusok osztályozásának alapjául a következõ négy irányítási fõfunkciót tekinthetjük: 

• vezérlésmód; (hogyan?)
• döntésfolyamat; (milyen esetben?)
• információ-karbantartó folyamat; (hálózati forgalmi ismeretek frissítése)
• továbbító eljárás (hogyan jut el a vezérlési információ a csomópontokhoz)

Ezek feladata a forgalomirányítási információk áramlásának szabályozása, a kerülõ utak választékának kialakítása, az irányítási információk felújítása valamennyi csomópontban és az útvonalválasztás az adatcsomagok részére.

A forgalomirányítási algoritmusoknak két osztálya van: az adaptív (alkalmazkodó), amely a hálózati forgalomhoz alkalmazkodik, és a determinisztikus (elõre meghatározott), ahol az útvonal választási döntéseket nem befolyásolják a pillanatnyi forgalom mért vagy becsült értékei. Ezek alapján alapvetõen négy lehetséges vezérlésmód különböztethetõ meg: 

• determinisztikus forgalomirányítás; olyan rögzített eljárás, amelyet a változó feltételek nem befolyásolnak;
• elszigetelt adaptív forgalomirányítás, amelynél minden csomópont hoz irányítási döntéseket, de csak helyi információk alapján;
• elosztott adaptív forgalomirányítás, amelynél a csomópontok információt cserélnek azért, hogy az irányítási döntéseket a helyi és a kapott információkra együtt alapozhassák;
• központosított adaptív forgalomirányítás, amelynél a csomópontok a helyi forgalmi információikat egy közös irányító központnak jelentik, amely erre válaszul forgalomirányítási utasításokat ad ki az egyes csomópontok részére.

Az említetteken kívül bevezethetõ még egy további forgalomirányítás-típus is, amelyet deltairányításnak neveznek. Ennél az eljárásnál a központi irányító egység munkáját a forgalomirányítási döntésekhez kizárólag abban az esetben használják fel, ha ezek a helyi információkra nem alapozhatók.

Nyilvánvaló hogy a forgalomirányítás során két pont között meg kell találni a legoptimálisabb útvonalat, amely még egyéb csomópontokat tartalmaz. Az optimális útvonal nem feltétlenül jelenti a fizikailag legrövidebb útvonalat, mivel számos egyéb tényezõ is befolyásolhatja az optimális választást: lehet például mértéknek a csomópont-átlépések számát tekinteni, lehet azt az idõt, hogy mennyi idõ alatt jut el a csomag, vagy a vonalhasználat költségeit. Az objektív mérték megállapításához lehet olyan teszteket futtatni az adott szakaszokon amely magadja az átlagos sorbaállási és átviteli késleltetési idõt, és ezt tekinti a mértéknek. Általánosan egy adott szakasz mértékét a távolság, az adatátviteli sebesség, az átlagos forgalom, a kommunikációs költség, az átlagos sorhossz vagy más egyéb tényezõk alapján határozzák meg.

Matematikailag a probléma a gráfelmélet segítségével tárgyalható, ahol a csomópontok az egyes IMP-k, és a csomópontokat összekötõ éleket jellemezzük az elõbb említett mértékekkel. A feladat a gráf két csomópontja közötti olyan élekbõl álló útvonal meghatározása (shortest path), amelyre az érintett élek mértékeinek összege minimális. Az ismertetett módszer Dijsktrá-tól (1959) származik [1].

Minden csomópontot címkével látunk el amely zárójel elsõ tagjaként tartalmazza az adott csomópont legrövidebb távolságát a forráscsomóponttól. Ez induláskor minden csomópontra végtelen. A zárójelben lévõ második tag annak a csomópontnak a neve, amelyen keresztül valósul meg ez a legrövidebb út.

Az algoritmus mûködése során utakat talál, és úgy változnak a címkék is a legjobb utat tükrözve. Egy címke ideiglenes vagy állandó lehet. Amikor az algoritmus felfedezi, hogy egy adott címke a forrástól a címkéhez tartozó csomópontig vezetõ legrövidebb utat jelzi, akkor a címkét állandóvá teszi, és ezután már nem változtatja.

A címkézés menetének megértéséhez tekintsük az 89. ábrát! A csomópontokat (ezek ténylegesen az IMP-k) vonalak (hálózat) kötik össze, ahol a ráírt számok mértéket, például távolságokat jelenthetnek. A feladat az A és D pontok közötti legrövidebbi út megtalálása. Induláskor az A csomópontot állandóvá tesszük (önmagától õ van legközelebb...), és ezt a hozzátartozó kis kör befeketítésével jeleztük az ábrán. A vizsgált csomópontot aktuális csomópontnak nevezzük.

Ezután sorban egymás után megvizsgáljuk az A aktuális csomópont szomszédos csomópontjait (itt a B és G), és az A-tól való távolságukat a zárójelbe elsõként beírjuk. Minden A-val szomszédos csomópont megvizsgálása után az összes frissen címkézett csomópont megvizsgálása következik; amelynek során azt a csomópontot tesszük állandóvá, amelyik a legkisebb értékû címkével rendelkezik. Ez a csomópont lesz egyben a következõ munkacsomópont is.

A példában ez a B pont. Most tehát, a B-tõl indulunk, és ennek szomszédait vizsgáljuk. B-nek két szomszédja van: E és C. E pont B-tõl 2 egységre van, és mivel B pont A-tól való távolsága 2, ezért E pont (4,B) címkét, C pont (9,B) címkét kap. (C pont A-tól való távolsága 9, és B ponton keresztül vezet. Mivel E címkéje kisebb (4), ezért E lesz állandóvá téve, és most E szomszédjait vizsgáljuk.

Ez a G és F pont. F pont (6,E), G pont (5,E) címkéjû lesz, ezért G lesz állandó. Ennek szomszédjai: A, E, H. Ezek közül A és E már állandó címkéjû, H címkéje (9,G) lesz. Ezek közül a legkisebb már rögzített, ezért E következõ legkisebb szomszédját, F-et kell vizsgálni, az lesz állandó.

F szomszédjai: E, C, és H pont. F távolsága ezeken keresztül A-tól rendre 6, 12 és 9, ezért F (6,E) címkével lesz állandó.

Az állandó F szomszédjai közül H távolsága A-tól 8, C-nek 12, ezért H(8,F) lesz állandó. Ennek a végpont a szomszédja, ezért D(10,H) lesz a címkéje.

Azaz A és D közötti legrövidebb út 10 egység, és ez az A-B-E-F-H-D útvonal.

Vannak olyan forgalomirányító módszerek, amelyeknél nincs szükség semmilyen forgalomirányítási táblára, a hálózati topológia ismeretére, minden csomópont autonóm módon, azonos algoritmus alapján dolgozik.

A véletlen forgalomirányító eljárás alapján mûködõ rendszerben a továbbítandó csomagot a csomópont egy ún. véletlen folyamat segítségével kiválasztott az érkezõ vonaltól eltérõ más vonalon küldi tovább. Mivel a hálózat által ilyen módon szállított csomagok véletlen bolyonganak, ésszerûnek látszik, ha a csomagokhoz hozzárendeljük a mozgásuk során bejárt szakaszok számát és töröljük azokat a csomagokat, amelyek lépésszáma elér egy elõre meghatározott értéket. Ez az eljárás nem garantálja a csomagok kézbesítését, de nagyon egyszerûen realizálható, és nem túl bonyolult hálózatokban jól mûködhet.

Az elárasztásos forgalomirányító eljárás sem igényel semmi ismeretet a hálózatról. A csomópontok, mikor egy csomagot továbbítanak, a bejövõ csomagot minden vonalra kiküldenek, kivéve ahonnan érkezett. A lépések száma itt is korlátozva van. Jelentõs érdeme a módszernek, hogy a csomag legalább egy példányban mindenképp a legrövidebb úton ér célba. Ez azonban jelentõsen terheli a rendszert, mivel nagyszámú másolat (redundancia) van, és sok felesleges továbbítás történik. Az algoritmus rendkívül megbízható, és még megsérült rendszer esetén is mûködõképes. Érhetõ, hogy katonai alkalmazások esetén elõtérbe kerülhet a módszer, mert erõsen sérült hálózatban (sok csomópontot kilõnek) is nagy a valószínûsége egy üzenet célba jutásának.

A probléma a hálózat elosztott jellegébõl ered. A csomópontoknak ui. amikor irányítási döntéseket hoznak, olyan eseményeket kell figyelembe venniük, amelyek a hálózat távoli részében történtek, és amelyekrõl vagy egyáltalán nem rendelkeznek semmiféle információval, vagy a meglevõ információjuk már idõszerûtlen.

A közúthálózatban az autóvezetõ a forgalmi információhoz rádión jut hozzá; ideálisan szervezett úthálózatban, amelyben fejlett forgalmi információs rendszer mûködik az autós ki tudja kerülni az akadályokat, mert kerülõ utakat választhat. Ez azért lehetséges, mert a forgalmi információkat külön rendszeren gyorsabban továbbítják, mint ahogyan maguk a jármûvek haladnak. Az irányító központ veszi a rádión érkezõ forgalmi jelentéseket, amelyeket a megfigyelõpontokról küldenek, és ezek alapján tanácsokat ad a közlekedõk részére

A csomaghálózatokban a forgalomirányítási információ ugyanazon a közegen és ugyanolyan sebességgel halad, mint a felhasználói információ. Nem volna értelme a csomagkapcsolt hálózatban az irányítási és egyéb vezérlõ információkat egy külön, nagy adatátviteli sebességû rendszerben, a felhasználói forgalmat pedig kis sebességû vonalakon továbbítani.

A csomaghálózat szempontjából is jó lenne az egész hálózatra kiterjedõ forgalomirányítási információ azonnali elérhetõsége. Bár a gyakorlatban ez megvalósíthatatlan, a szimulációs modellezés módszerével mégis analizálták az ilyen módon mûködõ hálózat elméleti teljesítõképességét. A szimuláció során minden egyes csomópont úgy hozta meg irányítási döntését, hogy ehhez a hálózat többi részérõl is teljes körû és közvetlen áttekintése volt. Az irányító algoritmus — ismerve az összes többi csomóponton a sorok hosszát és minden egyes vonalon az áthaladó csomagok számát — az irányítás alatt álló csomagja részére azt a következõ, optimális adatátviteli vonalat választotta ki, amelyen az áthaladva minimális késleltetési idõvel érkezhetett célba. Ennek a szimulációs kísérletnek teljesen váratlanul az volt az eredménye, hogy itt az átlagos késleltetési idõk nem voltak lényegesen kisebbek, mint a rögzített forgalomirányító eljárásnál, amelynél a forgalomirányítási táblákat a legrövidebb utakra állították be.

Ennek az lehetett az oka, hogy bár a forgalomirányítás a pillanatnyilag lehetõ legpontosabb információn alapult, az idõközben megváltozott forgalom miatt a döntés pillanatában optimális útvonal még a kérdéses csomag célba érkezése elõtt már nem volt optimálist. Még az is elõfordulhat ennél a módszernél, hogy több csomópont egyszerre fedez fel egy gyengén terhelt hálózatrészt, és ezért valamennyi ide tereli a forgalmat és abban erõs torlódást okoz. Ez szabályozástechnikai analógiával egy lengõ rendszernek felel meg. Az ideális algoritmus sem tudja elõre figyelembe venni a jövõben bekövetkezõ eseményeket. A szimuláció jól jellemzi a különbözõ, ténylegesen mûködõ forgalomirányító algoritmusok egyik lehetséges nagy hátrányát; azt a tényt, hogy a hálózat egy bizonyos részérõl a hálózat többi részei esetleg úgy értesülnek, hogy az pillanatnyilag alig van terhelve és tartalékkapacitással rendelkezik. Ha ezek a részek ugyanakkor éppen torlódással küszködnek, valamennyien egyszerre fognak arra törekedni, hogy ebbe az alig terhelt zónába tereljék a forgalmat, amivel ott még súlyosabb torlódást idézhetnek elõ. A valóságos hálózatokban alkalmazott adaptív forgalomirányító eljárásoknak vagy a helyileg rendelkezésre álló információt (izolált adaptív irányítás), vagy a hálózatban terjesztett információt kell felhasználniuk.

Az eddig tárgyalt forgalomirányító algoritmusok vagy a helyileg rendelkezésre álló, vagy a szomszédos csomópontok között cserélt információt használják.

A központosított adaptív forgalomirányításban minden egyes csomópont helyzetjelentést állít össze, és abban a folyó sorhosszakat, a hálózat elemeinek meghibásodásait stb. elküldi a hálózat forgalomirányító központjába (RCC = Routing Controll Center). A központ ezek alapján átfogó képet alakít ki a hálózatról, és valamennyi forgalmi áramlat részére meg tudja határozni a legkedvezõbb útvonalat. Ezeket a legjobb utakat a hálózat csomópontjai forgalomirányítási táblák formájában kapják meg.

A központnak szóló helyzetjelentéseket és a csomópontoknak szóló új irányítási táblákat szabályos idõközözönként (szinkron üzemmódban) vagy csak jelentõs változás hatására (aszinkron üzemmódban) küldik. Ha a szinkron üzemmódot választják, akkor az irányító algoritmus mûködtetése érdekében a hálózatban áramoltatott vezérlõ információ fantasztikus mennyiségûvé válhat. Különösen, ha a hálózat maga nagy, akkor a túlzott mértékû irányítási funkció jelentõs többletterhelést okoz. Aszinkron üzemmódban viszont csak elfogadható mennyiségû vezérlõ információ áramlik a hálózatban.

Azt várhatnánk, hogy a hálózat forgalomirányító központja az optimális utak kiválasztásához a lehetõ legjobban hasznosítja a hálózat kapacitását. Az elkerülhetetlen idõkülönbségek miatt a csomópontokból elinduló állapotjelentések eleve késve érkeznek meg a központba és a távoli csomópontokból ez a késés már jelentõs lehet. Megfordítva, miután a központ elvégezte a forgalomirányító funkció által igényelt tekintélyes idejû számításokat, további idõhátrány származhat abból, hogy a csomópontok késve kapják a módosított forgalomirányítási táblákat. Így azután a központ olyan információk alapján dolgozik, amely részben már elavultak, és a csomópontok részére is olyan utasításokat ad ki, amelyek még inkább elavultak, amikor célba érnek.

Ilyenkor a forgalomirányítási döntéseket a helyi körülmények alapján hozza a csomópont. Egyszerû algoritmus az ún. “forró krumpli” algoritmus. Ennek az a lényege, hogy a beérkezett abba kimeneti sorba rakja, amely a legrövidebb, legrövidebb ideig “égeti a kezét”, gyorsan megszabadul tõle. Lényeges, hogy nem foglalkozik az irányokkal.

Érdekes kiterjesztése az algoritmusnak, amikor enné a döntésnél az irányokhoz tartozó mértékeket is figyelembe veszi.

Ez azt jelenti, hogy nem küldi automatikusan a legrövidebb sorba, hanem figyelembe veszi a kiválasztott sor mértékét is.

Például a 90. ábrán látható X jelû csomópont felõl érkezõ csomag az eredeti algoritmus szerint B felé lenne elküldve. A módosított algoritmus szerint ez már nem biztos, hiszen a mértéke (jósága) csak 0.6, ezért talán jobb lehet az A irányt választani. A korrekt döntéshez kell egy a sorhosszt jellemzõ mérõszámot is választani (1-ha üres a sor, 0 — ha nagyon sok csomag van elõtte) és így pl. a két szám szorzatának nagysága alapján hozni meg az irányra vonatkozó döntést.

Egy másik lehetséges algoritmus a fordított tanulás módszere. A hálózatban minden csomópont egy csomagot indít el amely tartalmaz egy számlálót és az elindító azonosítóját. A számláló értéke minden csomóponton történõ áthaladáskor megnöveli értékét egyel. Amikor egy csomópont (IMP) egy ilyen csomagot vesz, akkor ezt elolvasva tudja, hogy a csomagot küldõ hány csomópontnyi távolságra van tõle.

Természetesen az optimális út keresése érdekében, ha ugyanarra a távoli csomópontra egy kedvezõbb értéket kap (van rövidebb út is), akkor az elõzõt eldobva ezt jegyzi magának. Ha azonban meghibásodás következik be, vagy az optimális útvonal valamelyik része túlterhelõdik, akkor ezt az algoritmus nem veszi észre. Ezért célszerû idõnként “mindent felejteni”, törölni a feljegyzéseket, hogy az ilyen változó körülményekre is mûködjön az algoritmus.

A megvalósított hálózatokban mindeddig legnépszerûbb az elosztott adaptív forgalomirányító eljárás.

Az algoritmus fõ célkitûzése az adatforgalom részére a legkisebb késleltetéssel járó útvonalak keresése. E célból minden egyes csomópontban egy táblázatot hozunk létre, amely minden egyes célállomáshoz megadja a legkisebb késleltetésû útvonalat, s ezzel együtt a továbbításhoz szükséges idõ legjobb becsült értékét. A hálózat mûködésének kezdetén a késleltetések a hálózat topológiája alapján becsült értékek, késõbb azonban, mihelyt a csomagok célba értek, a becsült késleltetési idõket felváltják a hálózatban ténylegesen mért továbbítási idõk. Az eredeti algoritmus szerint a késleltetési táblák adatait a szomszédos csomópontok rendszeresen megküldik egymásnak. Amikor a késleltetési táblákat megküldték, a csomópontok áttérnek a késéseket újraszámító fázisba, amelyben a saját sorhosszaikat és a szomszédos csomópontok által küldött késleltetési értékeket figyelembe veszik.

A szomszédos csomópontok között a késleltetési táblák cseréje természetesen sok vezérlõcsomag továbbításával történik, ami jelentõs többletterhelést ró a hálózatra. Ha a táblákat túl gyakran, pl. 2/3 másodpercenként tartják karban, a hálózati mérések azt mutatják, hogy a kis adatátviteli sebességû vonalak kapacitásának 50 százalékát a késleltetési táblák továbbításával járó forgalom foglalja le, és a lefoglalt kapacitás még a nagyobb sebességû vonalak esetén is észlelhetõ — bár kisebb — mértékû. A továbbított információról kimutatható, hogy az átvitt késleltetési táblák igen gyakran ugyanazt vagy majdnem ugyanazt az információt tartalmazzák, mint az õket megelõzõk.

A táblák ilyen, szinkron karbantartása helyett az aszinkron karbantartás a célravezetõbb. Ez utóbbi azt jelenti, hogy a csomópontoknak csak akkor kell továbbítaniuk a késleltetési táblákat, ha számottevõ változást észlelnek a forgalom intenzitásában, vagy a hálózat elemeinek mûködési körülményeiben. A késleltetési táblák újraszámítására csak akkor kerül sor, ha jelentõsebb helyi változás történt, vagy ha módosított késleltetési tábla érkezik valamelyik szomszédos csomóponttól.

Ábrajegyzék

Bevezetés

1.fejezet: A hálózatok célja, alkalmazása, alapfogalmak

2.fejezet: Fizikai átviteli jellemzõk és módszerek

3.fejezet: Közeg-hozzáférési módszerek

4.fejezet: Adatkapcsolati protokollok

5.fejezet: Hálózati réteg folytatása: Torlódásvezérlés, X.25 hálózat, Keret-relézés (Frame-relay), Ellenõrzõ kérdések

6.fejezet: A felsõbb rétegek

7.fejezet: Lokális hálózatok

8.fejezet: A TCP/IP protokoll és az Internet

9. fejezet: Szótár

Irodalomjegyzék

Tárgymutató