Datenkommunikation - FET

Routing-Algorithmen
Die beiden Verfahren Distanz-Vektor-Routing und Link-State-Routing sind in der Praxis sehr wichtig.
• Beim Distanz-Vektor-Verfahren wird ein kürzester Weg gewählt, der die kleinstmögliche Anzahl von Zwischensystemen
(hops) enthält.
• Beim Link-State-Verfahren ist jeder Teilstrecke (link) ein Gewicht nach einer festgelegten Metrik (z. B. Kosten, Distanz,
Bandbreite, Auslastung) zugeordnet. Ein kürzester Weg ist dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Gewichte minimal
ist.
Distanz-Vektor-Algorithmus
Der Distanz-Vektor-Algorithmus (auch als Bellman-Ford-Algorithmus bekannt) wird für die verteilte Berechnung von
Routing-Tabellen verwendet. Dabei berechnet zunächst jeder Knoten für sich eine Routing-Tabelle. Die Einträge sind Tupel,
die - wie der Name des Verfahrens andeuten soll - je eine Adresse (Vektor) und die zugehörige Distanz enthalten. Die Tupel
werden den benachbarten Knoten mitgeteilt und zur Aktualisierung (update) deren Routing-Tabellen genutzt. Nach einiger
Zeit (Konvergenzdauer) besitzen alle Knoten optimale Routing-Tabellen. Das Distanz-Vektor-Verfahren wird periodisch im
Abstand weniger Sekunden durchgeführt. Damit kann der Ausfall einzelner Knoten oder Kanten (Übertragungsstrecken)
berücksichtigt werden. Ein Knoten, der keine periodische Routing-Information liefert, gilt als ausgefallen. Die umgebenden
Knoten ändern daraufhin ihre Routing-Tabellen so, dass der ausgefallene Knoten umgangen wird, soweit bestehende Pfade
dies zulassen.
Beim Bellman-Ford-Algorithmus ist jede Kante des Graphen mit einem Gewicht belegt, die Distanz zum Ziel ist als Summe
der Gewichte auf dem Weg zum Ziel definiert. Die Routing-Tabelle enthält für jeden Eintrag ein Feld, das die Distanz zum
Zielknoten (auf einem Pfad entsprechend dem angegebenen Next Hop) enthält. Jeder Knoten sendet die ihm bekannten Wertepaare
(Ziel, Distanz) an seine Nachbarn. Wenn ein Knoten eine Nachricht von seinem Nachbarn erhält, prüft er alle Einträge
und ändert seine Routing-Tabelle, falls der Nachbar einen kürzeren Pfad zu einem Ziel kennt.
Ein Vorteil des Distanz-Vektor-Algorithmus ist seine Einfachheit. Der größte Nachteil liegt in der langen Konvergenzdauer.
Dies führt dazu, dass bei raschen Änderungen der Topologie Inkonsistenzen in den Routing-Tabellen entstehen, die zu großen
Verzögerungen und zu Paketverlusten führen können.
Link-State-Routing, Dijkstra-Algorithmus
Das Link-State-Routing (auch Link-Status-Routing) wird auch als SPF-Routing (Shortest Path First) bezeichnet, obwohl
andere Routing-Verfahren ebenfalls kürzeste Pfade ermitteln. Das Verfahren beinhaltet - wie das Distanz-Vektor-Verfahren -
eine verteilte Berechnung des Routing. Die zwischen den Knoten ausgetauschten Nachrichten beinhalten den Status einer
Verbindung zwischen zwei Knoten, der durch ein Gewicht in einer bestimmten Metrik ausgedrückt wird. Diese Nachrichten
werden per Broadcast an alle Knoten gesendet. Damit besitzt jeder Knoten die globale und vollständige Zustandsinformation
über das Netz. Jeder Knoten kann nun für sich einen Graphen für das Netz erstellen. Anschließend berechnet jeder Knoten
seine Routing-Tabelle mit Hilfe des Dijkstra-Algorithmus. Das Routing kann also - wie beim Distanz-Vektor-Verfahren - an
den aktuellen Zustand des Netzes adaptiert werden. Die Adaption findet schneller statt, da alle Knoten gleichzeitig über Statusänderungen
informiert werden.
Die Grundidee des Link-State-Routing geht davon aus, dass zunächst die Topologie des Netzes ermittelt wird. Dazu sind die
folgenden Schritte notwendig:
• Jeder Router kümmert sich selbst darum, seine Nachbarn und ihre Namen kennen zu lernen.
• Jeder Router bildet ein LSP (Link State Packet) mit den Namen seiner Nachbarn und den Gewichten der zugehörigen
Links.
• Die LSP werden an alle Router verschickt, jeder Router puffert die zuletzt erhaltenen LSP aller anderen Router.
• Damit kennt jeder Router die vollständige Topologie des Netzes. Dies ermöglicht den einzelnen Routern die Berechnung
von Pfaden zu jedem Ziel.
Der Dijkstra-Algorithmus wird nun zur Berechnung der kürzesten Wege ausgeführt. Der Algorithmus geht von einem bestimmten
Knoten, dem Quellenknoten, aus und berechnet eine Routing-Tabelle für diesen Knoten. In der Routing-Tabelle
sind für alle möglichen Zielknoten die nächsten Knoten, die in Richtung auf den Zielknoten zu durchlaufen sind, und die
Distanz D von jedem Knoten zum Quellenknoten enthalten. Für jeden Knoten im Netz ist eine Routing-Tabelle zu ermitteln.
Für den Dijkstra-Algorithmus sind nebst der Beschreibung des Graphen einige Datenstrukturen erforderlich. Die Knoten
werden von 1 bis n nummeriert, damit kann die Knotennummer als Index zum Datenzugriff verwendet werden. D ist ein
Vektor, dessen i-te Komponente den aktuellen Wert der kürzesten Distanz vom Quellenknoten zum Knoten i enthält. Die i-te
Komponente des Vektors R puffert den nächsten Knoten (next hop), der auf dem Weg zum Knoten i zu durchlaufen ist. Die
Menge S der noch zu untersuchenden Knoten kann als doppelt verkettete Liste von Knotennummern gepuffert werden.
Institut für Kommunikationsnetze - TU Wien - o. Univ. Prof. Dr. Harmen R. van As - Vorlesung Datenkommunikation - Teil 3.2b 48