مسیریابی پویا چیست و چرا نقش مهمی در دنیای شبکه‌های کامپیوتری دارد؟

مسیریابی در دنیای شبکه‌های کامپیوتری

در دنیای شبکه‌های کامپیوتری مسیریابی به دو روش ایستا (Static) و پویا (Dynamic) انجام می‌شود. مسیریابی ایستا بر مبنای مسیر آی‌پی یا مسیر پیش‌فرض انجام می‌شود. در حالت اول، روترها برای ارسال بسته‌های اطلاعاتی می‌توانند از موجودیت‌های جدول مسیریابی که سرپرست شبکه به‌طور دستی آن‌ها را پیکربندی کرده استفاده کنند یا می‌توانند از اطلاعات مسیریابی که توسط الگوریتم‌های مسیریابی پویا تهیه شده‌اند استفاده کنند. مزیت مهم به‌کارگیری الگوی مسیریابی ایستا در استفاده کمینه از پهنای باند نسبت به مسیریابی پویا خلاصه می‌شود. با این‌حال، مکانیزم فوق برای شبکه‌های بزرگ عملکرد خوبی ندارد، زیرا مدیر شبکه باید تمامی تنظیمات را به شکل دستی پیکربندی کند که فرآیند زمان‌بری است. در نقطه مقابل مسیریابی ایستا، مسیریابی پویا قرار دارد. مسیریابی پویا به جدول مسیریابی اجازه می‌دهد هنگامی که روتر خاموش بوده یا در دسترس نیست یا شبکه جدیدی به شبکه فعلی اضافه شده، این تغییرات را نگه‌داری کند. در فرآیند مسیریابی پویا این امکان وجود دارد تا از طریق پروتکل‌های مسیریابی به‌طور مستمر بسته‌های اطلاعاتی را میان گره‌ها مبادله کرد، وضعیت هر یک از روترهای شبکه را بررسی کرده و به گره‌های تحت شبکه اجازه داد برای تبادل اطلاعات از رویکردهایی مثل همه‌پخشی یا چندپخشی استفاده کنند و همواره اطلاعات جدول مسیریابی را به‌روزرسانی کنند. در این حالت جداول مسیریابی روترها دائما به‌روزرسانی می‌شود. از مهم‌ترین پروتکل‌های مسیریابی پویا باید به OSPF، EIGRP، IGRP و IS-IS و غیره اشاره کرد. این پروتکل‌ها خود به سه گروه پروتکل‌های مسیریابی Link State، distance vector و Hybrid Routing طبقه‌بندی می‌شوند. 

پروتکل‌های مسیریابی چه کاری انجام می‌دهند؟

پروتکل‌های مسیریابی با هدف ساخت جداول مسیریابی و تصمیم‌گیری در ارتباط با انتخاب بهترین مسیر استفاده می‌شوند. امروزه پروتکل‌های مسیریابی پویای مختلفی در دسترس کارشناسان شبکه قرار دارد که از مهم‌ترین آن‌ها باید به پروتکل‌های OSPF، EIGRP، IGRP و IS-IS اشاره کرد. به‌طور کلی، یک پروتکل مسیریابی چگونگی برقراری ارتباط گره‌ها با یکدیگر را مشخص کرده و بر فرآیند انتقال اطلاعات مدیریت می‌کند. یک پروتکل مسیریابی به گره‌ها اجازه می‌دهد برای تبادل اطلاعات با یکدیگر بهترین مسیر را انتخاب کنند. گره‌های تحت شبکه و روترها فقط درباره شبکه‌هایی که به آن‌ها متصل هستند اطلاع دارد. یک پروتکل مسیریابی اطلاعات موردنیاز گره‌ها و روترها را ابتدا میان همسایگان نزدیک و سپس در سراسر شبکه به اشتراک می‌گذارد. به این ترتیب، روترها دانش لازم را در قالب جداول مسیریابی به دست می‌آورند. 

پروتکل‌های مسیریابی Distance-Vector

پروتکل‌های مسیریابی بردار-مسافت از سنجه Hop Count که تعداد روترهای مسیر را مشخص می‌کند در جدول مسیریابی خود استفاده می‌کنند. این پروتکل‌ها جدول مسیریابی خود را برای تمامی گره‌های همسایه که به شکل مستقیم به آن‌ها متصل هستند در بازه‌های زمانی مشخص و با پهنای باند زیاد ارسال می‌کنند. هنگامی که مسیری از دسترس خارج می‌شود، تمام روترهای شبکه باید جداول مسیریابی خود را بر مبنای اطلاعات جدید به‌روزرسانی کنند. مشکلی که پروتکل‌های بردار-مسافت دارند این است که هر روتر باید اطلاعات جدید را به گره‌های همسایه خود اطلاع دهد که نیازمند صرف زمان زیادی است تا تمامی روترها اطلاع دقیقی در مورد شبکه به دست آورند. پروتکل‌های بردار-مسافت از ماسک زیرشبکه ثابت استفاده می‌کنند که فاقد قابلیت گسترش‌پذیری است. الگوریتمی که این پروتکل‌ها بر مبنای آن کار می‌کنند و جداول مسیریابی را ایجاد می‌کنند از محاسبات ساده ریاضی استفاده می‌کند. به‌طور کلی، پروتکل‌های بردار-مسافت برای شبکه‌های کوچکی که کمتر از 16 روتر دارند استفاده می‌شوند. پروتکل‌های بردار-فاصله در بازه‌های زمانی مشخص جداول مسیریابی روترها را یکسان‌سازی می‌کنند. عملکرد پروتکل‌های بردار-مسافت به این گونه است که از دو سنجه مسافت و جهت برای پیدا کردن مقصد استفاده می‌کنند. روترهایی که از پروتکل‌های مسیریابی بردار-مسافت استفاده می‌کنند به روترهای همسایه خود اطلاعاتی در ارتباط با توپولوژی شبکه و تغییراتی که در بازه‌های زمانی مختلف اتفاق افتاده ارائه می‌کنند. این اطلاع‌رسانی بر مبنای رویکرد برودکست و بر مبنای آدرس آی‌پی 255.255.255.255  انجام می‌شود. پروتکل‌های بردار-مسافت از الگوریتم Bellman-Ford برای پیدا کردن بهترین مسیر برای ارسال بسته‌های اطلاعاتی به مقصد استفاده می‌کنند. روترهایی که از پروتکل‌های عضو این خانواده استفاده می‌کنند برای این‌که از اطلاعات موجود در جدول مسیریابی روترهای همسایه اطلاع پیدا کنند روی رابط‌های خود یک درخواست برودکست (همه‌پخشی) را ارسال می‌کنند.  علاوه بر این برای به‌اشتراک‌گذاری اطلاعات جدول مسیریابی نیز از تکنیک برودکست استفاده می‌کنند. الگوریتم‌های بردار-مسافت هر زمان تغییری در جدول مسیریابی انجام شود، بدون درنگ اطلاعات را به شکل همه‌پخشی برای تمامی رابط‌های روترها ارسال می‌کنند. در این حالت مقدار Distance Value مربوط به مسیر دریافتی افزایش کرده و جایگزین Distance Value قبلی می‌شود. این روند ادامه پیدا می‌کند تا جداول مسیریابی تمامی روترها به‌روز شود. همان‌گونه که مشاهده می‌کنید، پروتکل‌های بردار-مسافت ساده‌ترین نوع پروتکل‌های مسیریابی هستند که شناسایی و رفع مشکلات در آن‌ها ساده است، اما در مقابل به میزان قابل توجهی از پهنای باند شبکه را مصرف می‌کنند. از پروتکل‌های مطرح این گروه باید به RIPv1 و IGRP اشاره کرد. 

پروتکل‌های مسیریابی Link State

پروتکل‌های وضعیت پیوند (Link-State) عملکرد کاملا متفاوتی نسبت به پروتکل‌های بردار-فاصله دارند و پیچیدگی‌های خاص خود را دارند. پروتکل‌های مسیریابی وضعیت پیوند نوع خاصی از پروتکل‌های مسیریابی هستند که نقشه راه کاملی در اختیار روترها قرار می‌دهند. روترهایی که از پروتکل وضعیت پیوند استفاده می‌کنند بدون مشکل قادر به مسیریابی بسته‌های اطلاعاتی هستند، زیرا تصویر کاملی از شبکه در اختیار دارند. 

هدف از به‌کارگیری پروتکل‌های وضعیت پیوند پیدا کردن بهترین مسیر به مقصد با اتکا بر الگوهای مختلف است. پروتکل‌های وضعیت پیوند اطلاعات مربوط به مسیریابی را تنها هر زمان تغییراتی در آن‌ها به وجود آید منتشر می‌کنند، به همین دلیل به شکل بهینه‌ و دقیق‌تری از پهنای باند استفاده می‌کنند. در این حالت روترها به جای جدول مسیریابی، تنها تغییرات را انتشار می‌دهند که به میزان قابل توجهی سرباره‌های اضافی شبکه‌ها را حذف می‌کنند و سرعت تبادل اطلاعات را بیشتر می‌کنند. روترهایی که از پروتکل وضعیت پیوند استفاده می‌کنند همواره اطلاعات دست اولی از تمامی روترها را دارند، زیرا هر روتر اطلاعاتی درباره جدول مسیریابی و لینک‌هایی که به آن‌ها متصل است و وضعیت لینک‌ها ایجاد می‌کند و اطلاعات فوق را به روتر دیگر انتقال می‌دهد. در این مکانیزم هر روتر یک کپی از اطلاعات را در اختیار دارد بدون آن‌که تغییری در اطلاعات ایجاد کند. پروتکل‌های وضعیت پیوند با عناوین مختلف مثل پروتکل بانک اطلاعاتی توزیع شده (Distributed Database Protocol) یا اولین مسیر کوتاه (Shortest Path First) شناخته می‌شوند. در پروتکل‌های مسیریابی وضعیت پیوند از الگوریتمی به‌نام Dijkstra برای تعیین بهترین مسیر استفاده می‌شود. روترهایی که از پروتکل‌های وضعیت پیوند استفاده می‌کنند تنها زمانی نیاز به یکسان‌سازی جداول مسیریابی دارند که موجودیت جدیدی به جدول مسیریابی یکی از روترها اضافه شده باشد. به همین دلیل کمترین ترافیک را در زمان یکسان‌سازی جدول مسیریابی مصرف می‌کنند. در پروتکل‌های مسیریابی وضعیت پیوند روترها اطلاعات جامعی در ارتباط با خودشان که شامل لینک‌های مستقیم متصل شده به آن‌ها و وضعیت لینک‌ها است در اختیار شبکه قرار می‌دهند. اطلاعات مذکور بر مبنای رویکرد چندپخشی به تمامی روترهای موجود در شبکه ارسال می‌شود که درست در نقطه مقابل رویکرد همه‌پخشی پروتکل‌های بردار-مسافت است. در فرآیند مسیریابی وضعیت پیوند هر زمان تغییر کوچکی در هم‌بندی شبکه به وجود آید، تغییر مذکور برای تمامی روترها ارسال می‌شود. در معماری فوق هر یک از روترهای شبکه یک کپی از هم‌بندی شبکه دارند و به شکل مستقل به محاسبه بهترین مسیرها برای رسیدن به شبکه‌های مقصد می‌پردازند. 

پروتکل‌های وضعیت پیوند بر مبنای الگوریتم اولین مسیر کوتاه (SFP) سرنام Shortest Path First مناسب‌ترین مسیر برای رسیدن به مقصد را انتخاب می‌کنند. در الگوریتم فوق هر زمان وضعیت یک لینک ارتباطی تغییر کند یک به‌‌روزرسانی مسیر که LSA سرنام وضعیت پیوند Advertisement نام دارد ایجاد می‌شود و برای تمامی روترها ارسال می‌کند. از پروتکل‌های مسیریابی مهم این گروه باید به پروتکل OSPF بر بستر آی‌پی، پروتکل Is-IS بر بستر آی‌پی، CLNS و پروتکل NLSP اشاره کرد. پروتکل OSPF از محبوب‌ترین پروتکل‌های خانواده (IGP) سرنام Interior Gateway Protocol است. OSPF به عنوان استانداردی برای مسیریابی آی‌پی در شبکه‌های بزرگ استفاده می‌شود. هنگامی که پروتکل OSPF در شبکه پیکربندی می‌شود، به روترهای مجاور گوش می‌کند و بسته‌های اطلاعاتی ارسال شده توسط روترها را جمع‌آوری می‌کند تا نقشه هم‌بندی از تمامی مسیرهای در دسترس شبکه ایجاد کند. در ادامه اطلاعات را در بانک‌اطلاعاتی توپولوژی که LSDB نام دارد ذخیره‌سازی می‌کند. 

در زمان راه‌اندازی هر روتر پیکربندی شده با OSPF، بسته‌های hello برای تمامی روترهای OSPF متصل به شبکه ارسال می‌شوند. بسته‌های hello اطلاعاتی شبیه به زمان‌سنج‌های روتر، شناسه منحصر‌به‌فرد، روتر و ماسک زیرشبکه را دارند. اطلاعات ذخیره شده در بانک‌های اطلاعاتی بهترین و کوتاه‌ترین مسیر ممکن به هر زیر شبکه یا شبکه اصلی را توسط الگوریتم SFP محاسبه می‌کنند.

پروتکل‌های مسیریابی هیبریدی

پروتکل‌های مسیریابی هیبریدی سعی می‌کنند با هدف رسیدن به بهترین عملکرد ترکیبی از پروتکل‌های بردار-فاصله و Link State را به کار گیرند و از مزایای بالقوه پروتکل‌های هر گروه استفاده کنند. به بیان دقیق‌تر، زمانی که نیازمند قدرت پردازشی روترها هستند از قابلیت‌های پروتکل‌های بردار-فاصله (به دلیل پردازش کمتر) و هنگامی که نیازمند تبادل جداول مسیریابی در شبکه هستند از قابلیت‌های پروتکل‌های وضعیت پیوند استفاده می‌کنند. با توجه به مزایای بالقوه‌ای که دارند پروتکل‌های هیبریدی در شبکه‌های بزرگ استفاده می‌شوند. از پروتکل‌های معروف این گروه باید به EIGRP اشاره کرد. EIGRP می‌تواند پروتکل‌های IP، IGRP و Appletalk را مسیریابی کرده و از سنجه‌های ترکیبی مشابه پروتکل IGRP برای انتخاب بهترین مسیر به مقصد استفاده ‌کند