Моделювання роботи протоколів внутрішньодоменної маршрутизації та аналіз їх ефективності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделювання роботи протоколів внутрішньодоменної маршрутизації та аналіз їх ефективності

Бородай Денис Юрійович

магістр, молодший аналітик консолідованої інформації, ТОВ «Українська аналітично-консультативна компанія «Ардента», вул. Світлицького, м. Київ

Анотація

Мережі зв'язку давно вже стали невід'ємною частиною будь якої сфери людської діяльності. Основною функцією таких мереж, є здатність забезпечити користувачів доступом до кінцевих пристроїв, таких як сервери та інше. На якісне виконання цієї функції впливає безліч характеристик, основними з яких є пропускна спроможність, час реакції, затримка передачі, втрати пакетів, тощо. Для покращення цих характеристик, доцільно попередньо виконати моделювання, оскільки при ньому немає необхідності у зміні існуючої мережі, що може вимагати значних фінансових та часових витрат, але при цьому дозволяє оцінити потенціальні переваги та недоліки при запланованих змінах у мережі.

У роботі розглядаються три розповсюджених протоколи внутрішньодоменної маршрутизації, а саме їх алгоритми та особливості роботи. На основі розглянутих принципів, відбувається їх моделювання, через створений застосунок з детальним поясненням технічних аспектів та допущень у змодельованій мережі зв'язку. Для спрощення розрахунків, єдиною метрикою, якою характеризуються канали зв'язку є їх пропускна здатність, яка вимірюється у мегабітах в секунду.

Після цього, відбувається моделювання проходження трафіку в мережі з використанням вищезгаданих протоколів у декількох сценаріях, а саме з об'ємом трафіку у 40 Мбіт/с, 50 Мбіт/с, 150 Мбіт/с, 200 Мбіт/с, 300 Мбіт/с, 340 Мбіт/с та 390 Мбіт/с. На основі отриманих результатів розподілу трафіку, робиться висновок щодо ефективності роботи протоколу з наданням коментарів щодо особливостей, які можуть вплинути на результат у реальній мережі зв'язку.

За результатами моделювання, протокол EIGRP показав найвищу ефективність маючи змогу розподілити трафік об'ємом 390 Мбіт/с у змодельованій мережі без перевантаження каналів. Протоколи OSPF та RIP змогли розподілити 200 Мбіт/с, з деякими відмінностями щодо прокладених маршрутів. Для більш точного висновку, щодо ефективності роботи протоколів, у моделюванні слід додати інші метрики, такі як затримки та втрати.

Ключові слова телекомунікаційна мережа, протокол маршрутизації, моделювання мережі, комп'ютерні науки, EIGRP, RIP, OSPF

Abstract

Borodai Denys Yuriyovych Master of Arts, junior analyst, Ardenta UACC LLC, Kyiv

INTERIOR GATEWAY PROTOCOL MODELING AND ANALYSIS OF THEIR EFFICIENCY

Communication networks are an integral part of any sphere of human activity. The main function of such networks is the ability to provide users with access to end devices such as servers and others. The high-quality performance of this function is affected by many characteristics, the main ones of which are bandwidth, response time, transmission delay, packet loss, etc. To improve these characteristics, it is advisable to perform a simulation previously because it does not require a change in the existing network, which may require significant financial and time costs, but at the same time, it allows for assessment of the potential advantages and disadvantages of the planned changes in the network.

The paper examines three interior gateway protocols, their algorithms, and specific features. Based on the considered principles, their simulation takes place through the created application with a detailed explanation of technical aspects and conventions in the simulated communication network. To simplify calculations, the only metric that characterizes channels is their bandwidth, which is measured in megabits per second. моделювання протокол маршрутизація

After that, the network traffic is simulated using the protocols in several scenarios with amounts of traffic of 40 Mbit/s, 50 Mbit/s, 150 Mbit/s, 200 Mbit/s, 300 Mbit/s, 340 Mbit/s and 390 Mbit/s. Based on the obtained traffic distribution results, a conclusion is made regarding the effectiveness of the protocol with comments on features that may affect the result in a real communication network.

According to the simulation results, the EIGRP protocol showed the highest efficiency, being able to distribute 390 Mbit/s traffic in the simulated network without overloading. OSPF and RIP were able to distribute 200 Mbit/s, with some differences in the routes. For a more accurate conclusion about the effectiveness of the protocols, other metrics such as delays and losses should be added to the simulation.

Keywords: communication network, routing protocol, network modeling, computer science, EIGRP, RIP, OSPF

Постановка проблеми

Сучасний світ вже неможливо представити без мереж зв'язку. Навіть короткочасні неполадки у їх функціонуванні можуть мати значний економічний вплив. Додатково, кількість трафіку та користувачів невпинно зростає, через що існуючі мережі зв'язку потребують періодичного розширення та вдосконалення, а при проектування нових мереж існує необхідність у врахуванні майбутніх потреб.

Враховуючи це, моделювання мережі та протоколів є актуальною задачею, оскільки воно може бути використано під час налаштування, проектування або адміністрування мережі, а також для тестування ефективності та продуктивності обраних мереж, без необхідності використання фізичного мережевого обладнання.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Моделюванню мереж зв'язку та протоколів маршрутизації присвячено доволі багато як українських так і закордонних досліджень.

Так є частина робіт, які присвячені загальному огляду можливостей моделювання. У роботі [1] розглянуто готові засоби для моделювання мережі, а також надана їх класифікація. У роботі [2] досліджено сучасні можливості у моделюванні складних мереж на основі теорії невизначеності.

У роботі [3] розглянуто моделювання поведінки протоколів RIP, IGRP, EIGRP, OSPF та IS-IS, але на основі існуючих програмних засобів, та більше з точки зору навантаження на мережеве обладнання та кількість надсилаємого службового трафіку, а не на прокладення маршруту.

У роботі [4] проводиться моделювання та оцінка ефективності протоколів маршрутизації OLSR, AODV, DSDV, MAODV у мобільних комунікаційних мережах спеціального призначення класу MANET.

Мета статті розроблення застосунку для моделювання роботи протоколів внутрішньодоменної маршрутизації та аналіз їх ефективності на основі результатів моделювання.

Виклад основного матеріалу

Для моделювання та дослідження ефек-тивності було обрано 3 протоколи внутрішньо-доменної маршрутизації, а саме:

1) EIGRP дистанційно-векторний протокол маршрутизації, заснований на протоколі IGRP. Для роботи використовує 5 параметрів для обчислення оптимального маршруту (у роботі буде використана лише одна, а саме пропускна спроможність каналів) та базується на алгоритмі Дейкстри [7];

2) RIP один з найперших протоколів маршрутизації, який досі активно використовується. Алгоритм роботи заснований на алгоритмі Беллмана-Форда [5];

3) OSPF протокол динамічної маршрутизації, який використовує інформацію щодо станів каналів. Для роботи використовує алгоритм Дейкстри [6].

У якості мови програмування було обрано MATLAB. Для візуалізації топології досліджуваної мережі використано спрямований граф, в якості маршрутизаторів будуть використовуватися вершини графу, а у якості каналів зв'язку ребра, вага яких визначає пропускну спроможність каналів. Для дослідження використано топологію зі статичною пропускною здатністю каналів зв'язку, яка показана на рис. 1, та сценарій в якому трафік проходить від маршрутизатора (вершини) один до маршрутизатора (вершини) п'ять.

Рис. Досліджувана топологія з пропускними можливостями каналів

Розглянемо принцип моделювання протоколів та топології на основі коду моделювання протоколу RIP, який зображено на рис. 2.

Для визначення топологія мережі використовується матриця розмірності Adim. За кількість маршрутизаторів відповідає кількість рядків матриці, а за кількість каналів зв'язку кількість стовпців. Одиниця позначає канал зв'язку який виходить з маршрутизатора, від'ємна одиниця за канал який входить у маршрутизатор, а нуль означає відсутність зв'язку.

Вектор bdim визначає який маршрутизатор буде відправником. За кожен маршрутизатор відповідають координати вектору. Одиницею позначається маршрутизатор-відправник, від'ємною одиницею позначається маршрутизатор отримувач, а нулем транзитний маршрутизатор, через який можуть проходити дані.

За пропускну спроможність каналів відповідають координати вектору с, наприклад за шостий канал відповідає шоста координата, яка визначає його пропускну спроможність у 200 Мбіт/с.

Змінна г відповідає за величину трафіку який відправляється у досліджуваному сценарії.

Вектор x відповідає за маршрут, який проходить трафік. Координати вектору відповідають за частку трафіку який проходить через канал зв'язку. Для одношляхових протоколів RIP та OSPF значення кожної координати буде 0 або 1, а для багатошляхового протоколу EIGRP значення в інтервалі між 0 та 1. Для отримання величини трафіку, який проходить по кожному каналу, використовується вектор у.

Вектор метрик f для протоколу RIP, заповнений одиницями. Моделювання роботи протоколу зводиться до цілочисельної задачі лінійного програмування, завдяки тому, що він використовує лише один канал зв'язку.

Деякі зміні використовуються для коректної роботи функції intlinprog. Наприклад, вектори ub та lb використовуються для виконання умови щодо перебування всіх значень вектору x в інтервалі між 0 та 1. Матриця А використовується для розрахунку навантажень на канал згідно з його пропускною спроможністю.

Для протоколу EIGRP вектор метрик f заповнюється значеннями 10 у 7 степені поділені на пропускну спроможність відповідного каналу. Завдяки тому що протокол може використовувати декілька каналів зв'язку, його моделювання зводиться до оптимізаційної задачі лінійного програмування, тому для цього було використано функцію linprog, яка знаходиться в пакеті «Optimization Toolbox».

Моделювання роботи протоколу OSPF майже не відрізняється від RIP. Він будує маршрут на основі стану каналів за допомогою алгоритму Дейкстри, який відрізняється від алгоритму Беллмана-Форда тим, що не може містити ребра з від'ємною вагою. Відмінним для протоколу OSPF буде вектор метрик f, який заповнюється значеннями 10 у 8 степені поділені на пропускну спроможність відповідного каналу.

Рис. Розподіл трафіку об'ємом 40 Мбіт/с з протоколом RIP

Розпочнемо дослідження ефективності протоколів та шляхи проходження трафіку з протоколу RIP. Для початку надішлемо невелику кількість трафіку у 40 Мбіт/c (рис. 3) (для спрощення, у роботі пропускна спроможність каналів та об'єм надсилаємого трафіку вимірюється у мегабітах в секунду), оскільки 40 Мбіт/с найменша пропускна спроможність одного з каналів.

Згідно рис. 3 протокол RIP знайшов найкоротший маршрут, та використав 1 канал, що є доволі оптимальним рішенням (втрати та затримки не враховуються в цій роботі). Наступним кроком буде 50 Мбіт/с (рис. 4).

Рис. Розподіл трафіку об'ємом 150 Мбіт/с з протоколом RIP

В цьому випадку протокол також оптимально використав наявні канали, та проклав 2 різні маршрути в залежності від кількості надісланого трафіку. Аналогічна ситуація і з 200 Мбіт/с, при якому протокол використав 3 канали

Об'єм трафіку у більше ніж 200 Мбіт/с протокол не зміг розподілити без перевантажень каналів, оскільки він може прокласти лише один маршрут проходження трафіку, навіть за умови, що більшість каналів зв'язку не використані при транспортуванні даних. Окрім цього є особливості, які не враховувалися при моделюванні.

Рис. Розподіл трафіку 200 Мбіт/с з протоколом RIP

Так наприклад, протокол RIP періодично надсилає у мережу багато службової інформації яка навантажує канали, додатково він має обмеження щодо розмірів мережі в якій він може бути застосованим. Згідно з результатами моделювання, протокол RIP намагається прокласти шлях таким чином аби максимально знизити його довжину, навіть за умови використання каналів з малою пропускною спроможністю. Це в свою чергу може призвести до затримок, втрат та завантаженності каналів.

Не зважаючи на схожість принципів роботи протоколів OSPF та RIP, вони показали деякі відмінності під час моделювання. Так для кількості трафіку у 40 Мбіт/с та 50 Мбіт/с, розподіл трафіку відбувається як показано на рис. 7 та рис. 8 відповідно.

Таким чином, при об'ємі трафіку у 40 Мбіт та 50 Мбіт/с, OSPF використовує 2 канали зв'язку, що відрізняється від результату протоколу RIP. При об'ємі трафіку у 150 Мбіт/с та 200 Мбіт/с OSPF прокладає такі самі маршрут, як й протокол RIP.

На основі цих результатів, можна сказати що протокол OSPF прокладає маршрути, які не так легко передбачити без проведення розрахунків, на відміну від протоколу RIP. Крім цього, протокол намагається використовувати маршрути з вищою пропускною здатністю, що у свою чергу буде зменшувати затримки, втрати та зменшує вірогідність завантаженності каналів. Також він набагато менше навантажує мережу технічною інформацією та не має таких жорстких обмежень щодо розміру мережі зв'язку як у протоколу RIP. Але OSPF має аналогічні недоліки одношляхової маршрутизації, а саме можливість використовувати лише один маршрут.

Не зважаючи на те, що EIGRP дуже відрізняється від інших досліджуваних протоколів, до об'єму трафіку в 150 Мбіт/с (включно) він прокладає такий самий маршрут як й протокол OSPF.

При збільшенні об'єму трафіку, відбувається розподілення трафіку між декількома каналами зв'язку. Результат роботи протоколу при об'ємі трафіку в 200 Мбіт/с показано на рис. 9, а для 300 Мбіт/с на рис. 10.

Рис. Розподіл трафіку 40 Мбіт/с з протоколом OSPF

Рис. Розподіл трафіку 200 Мбіт/с з протоколом EIGRP

Не дивлячись на те, що протокол розподіляє трафік по декількох каналах, він так само намагається використати найменшу їх кількість, що в свою чергу може призвести до завантаженості каналів. Не дивлячись на це, загальна пропускна спроможність мережі зв'язку значно збільшилась, у порівнянні з іншими досліджуваними протоколами.

Рис. Розподіл трафіку 300 Мбіт/с з протоколом EIGRP

На рис. зображено розподілення трафіку у 340 Мбіт/с, а на рис. 12 390 Мбіт/с.

Таким чином, для протоколу EIGRP максимальна пропускна спроможність без перевантажень для досліджуваної мережі складає 390 Мбіт/с, а для протоколів RIP та OSPF 200 Мбіт/с. EIGRP має також деякі недоліки, які не були враховані при моделюванні. Одним з головних його недоліків є те, що протокол підтримується не всім мережевим обладнанням.

Висновки

Створено додаток, за допомогою якого можна моделювати мережі зв'язку та роботу протоколів маршрутизації EIGRP, RIP, OSPF. На основі результатів моделювання було проведено аналіз щодо ефективності роботи вищезгаданих протоколів. На основі отриманих результатів, можна зробити висновок що протокол EIGRP є найбільш ефективним серед розглянутих.

В майбутньому планується додати інші протоколи та метрики, такі як затримки передачі та втрати пакетів, для більш точного моделювання.

Рис. Розподіл трафіку 390 Мбіт/с з протоколом EIGRP

Література:

1. Польнов О. О. Технічні засоби моделювання роботи мереж. / О.О. Польнов, К.Л. Горященко, В.В. Мішан // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. 2020. №5 (289) С. 35-38.

2. J. Wang. Research Progress of Complex Network Modeling Methods Based on Uncertainty Theory / J. Wang, J. Wang, J. Guo, L. Wang, C. Zhang, B. Liu // Mathematics 2023, 11(5) 1212.

3. A. Karim. Behaviour of Routing Protocols for Medium to Large Scale Networks. / A. Karim, M.A. Khan // Australian Journal of Basic and Applied Sciences 2011, 5(6) 1605-1613.

4. Бєляков Р.О. Оцінка ефективності протоколів маршрутизації OLSR, AODV, DSDV, MAODV спеціальних мереж класу MANET. / Р.О. Бєляков, О.Д. Фесенко // Вісник Херсонського національного технічного університету. 2023, №3(86) 75-82.

5. J. Doyle, J. Carroll (2005). CCIE Professional Development: Routing TCP/IP Volume I, Second Edition. 2005 169.

6. J. Moy. OSPF Version 2. Network Working Group 1998.

7. Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (EIGRP) Wide Metrics. Cisco Systems. 2012.

References:

1. Polnov, O.O., Goryashchenko K.L. & Mishan V.V. (2020). Tehnichni zasoby modelyuvannya roboty merezh [Modern network modelling software]. Visnyk Hmelnytskogo natsionalnogo universytetu. Tehnichni nauky. Herald of Khmelnytskyi national university, 5 (289), 35-38 [in Ukrainian].

2. J. Wang, J. Wang, J. Guo, L. Wang, C. Zhang & B. Liu (2023). Research Progress of Complex Network Modeling Methods Based on Uncertainty Theory. Mathematics, 11(5), 1212.

3. A. Karim & M.A. Khan (2011). Behaviour of Routing Protocols for Medium to Large Scale Networks. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 5(6), 1605-1613.

4. Bielyakov R.O. & Fesenko O.D. (2023). Otsinka efektyvnosti protokoliv marshrutyzatziyi OLSR, AODV, DSDV, MAODV spetsialnyh merezh klasu MANET [Evaluation of the efficiency OLSR, AODV, DSDV, MAODV routing protocols in special MANET class networks]. Visnyk Hersonskogo natsionalnogo tehnichnogo universytetu. Visnyk of Kherson National Technical University, 3(86), 75-82.

5. J. Doyle & J. Carroll (2005). CCIE Professional Development: Routing TCP/IP Volume I, Second Edition. p. 169.

6. J. Moy (1998). OSPF Version 2. Network Working Group.

7. Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (EIGRP) Wide Metrics. (2012) Cisco Systems.

Размещено на Allbest.ru