Аналіз та оптимізація алгоритмів динамічної маршрутизації в мережах з великою кількістю вузлів

Бочаров, Павло Ігорович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6498

Title:	Аналіз та оптимізація алгоритмів динамічної маршрутизації в мережах з великою кількістю вузлів
Authors:	Івченко, Олександр Віталійович Бочаров, Павло Ігорович
Keywords:	динамічна маршрутизація;алгоритми маршрутизації;комп’ютерні мережі;оптимізація;протоколи маршрутизації
Issue Date:	2025
Abstract:	Дипломна робота присвячена дослідженню алгоритмів динамічної маршрутизації в комп’ютерних мережах з великою кількістю вузлів. У роботі проаналізовано основні сучасні протоколи динамічної маршрутизації, їх принципи функціонування, переваги та недоліки в умовах масштабування мережі. Особливу увагу приділено проблемам збіжності маршрутів, затримкам передавання даних та перевантаженню мережевих ресурсів.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6498
Appears in Collections:	125 Кібербезпека та захист інформації (Безпека інформаційних і комунікаційних систем)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
М_125_Бочаров_Івченко.pdf Restricted Access		1.68 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА
МАШИНОБУДУВАННЯ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІЧНИХ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ ТА
КІБЕРБЕЗПЕКИ

До захисту допущено
завідувач кафедри РТСК
д.т.н., професор __________
Володимир ПАЛАГІН
"_____" грудня 2025 року

Пояснювальна записка
до випускної роботи
освітнього ступеня «магістр»
на тему: «Аналіз та оптимізація алгоритмів динамічної маршрутизації в мережах з
великою кількістю вузлів»

Виконав здобувач вищої освіти 2 курсу,
групи мБІ-41
Спеціальність – F5 / (125) «Кібербезпека та захист
інформації»
Освітня програма – «Кібербезпека та захист
інформації»
БОЧАРОВ Павло
Керівник роботи ІВЧЕНКО Олександр
Рецензент ЧЕПИНОГА Анатолій

Черкаси 2025

Черкаський державний технологічний університет
(назва вузу)
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра Робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки
Освітній ступінь магістр
Спеціальність F5 /( 125) «Кібербезпека та захист інформації»
Освітня програма «Кібербезпека та захист інформації»
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри РТСК
д.т.н., професор Володимир ПАЛАГІН

« » грудня 2026 р.

ЗАВДАННЯ
на дипломний проект (роботу) здобувачу вищої освіти
Бочарову Павлу Ігоровичу
(прізвище, ім'я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Аналіз та оптимізація алгоритмів динамічної маршрутизації в
мережах з великою кількістю вузлів
керівник проекту (роботи) Івченко Олександр Віталійович, к.т.н., доцент
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджена наказом по університету від « » 2025 р. №
2. Строк подання здобувачем проєкту (роботи) 1 грудня 2025 р.
3. Вихідні дані до проєкту (роботи) Протоколи динамічної маршрутизації RIP, OSPF, IS-IS,
EIGRP, BGP; мережі з кл-тю вузлів 50, 200, 1000; способи оптимізації: ієрархічна
аршрутизація, fast reroute, Segment Routing
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно розробити)______
вступ. 1. теоретичні основи динамічної маршрутизації в ip-мережах
2. експериментальні дослідження алгоритмів динамічної маршрутизації
3. оптимізація алгоритмів маршрутизації. Висновки. Список використаної літератури

5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)
Презентація в Power Point обсягом 9 плакатів

6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються
Підпис, дата
Розділ Прізвище, ініціали та посада
завдання завдання
консультанта
видав прийняв

7. Дата видачі завдання 04 вересня 2025 р.
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ Назва етапів дипломного С т р о к виконання етапів П р имітка
з/п проекту (роботи) проекту (роботи)
1. Аналіз технічного завдання та огляд літератури 05.09.2025
2. Розробка методики проведення дослідження 15.09.2025
Огляд основ динамічної маршрутизації в ip-
3. 02.10.2025
мережах
4. Експериментальні дослідження алгоритмів 14.10.2025
динамічної маршрутизації
5 Оптимізація алгоритмів маршрутизації 02.11.2025
6 Оформлення пояснювальної записки 08.11.2025
7 Оформлення слайдів 24.11.2025

Здобувач вищої освіти БОЧАРОВ Павло
(підпис) (прізвище та ім’я)
Керівник проекту (роботи) ІВЧЕНКО Олександр
(підпис) (прізвище та ім’я)

Зміст
ВСТУП 6
РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ДИНАМІЧНОЇ МАРШРУТИЗАЦІЇ В IP-
МЕРЕЖАХ 10
1.1. Класифікація алгоритмів маршрутизації. 10
1.2. Протоколи динамічної маршрутизації: RIP, OSPF, IS-IS, EIGRP, BGP. 13
1.3. Основні метрики маршрутизації (затримка, кількість стрибків, пропускна
здатність, вартість). 17
1.4. Проблеми масштабованості в мережах з великою кількістю вузлів. 20
1.5. Огляд сучасних підходів до оптимізації (ієрархічна маршрутизація, агрегація, fast
reroute, SDN). 22
РОЗДІЛ 2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ АЛГОРИТМІВ
ДИНАМІЧНОЇ МАРШРУТИЗАЦІЇ 27
2.1. Опис середовища моделювання (GNS3 / EVE-NG / Mininet / Packet Tracer). 27
2.2. Побудова тестових топологій (50, 200, 1000 вузлів). 29
2.3. Порівняння алгоритмів за критеріями( час конвергенції після відмови
вузла/лінка, затримка доставки пакетів, стабільність маршрутів). 34

мБІ41.025.309.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Бочаров П.І. Аналіз та оптимізація алгоритмів Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Івченко О.В. динамічної маршрутизації в мережах 4 65
е ревір. з великою кількістю вузлів
Затверд. Палагін В.В. ЧДТУ 2025
К онтр. Пояснювальна записка

РОЗДІЛ 3. ОПТИМІЗАЦІЯ АЛГОРИТМІВ МАРШРУТИЗАЦІЇ 37
3.1. Використання ієрархічної маршрутизації для зменшення розміру таблиць. 37
3.2. Застосування методів fast reroute та попередньо обчислених маршрутів. 40
3.3. Впровадження сегментної маршрутизації (Segment Routing) як сучасного
підходу. 44
3.4. Використання машинного навчання для прогнозування перевантажень. 45
3.5. Підсумки проведеного аналізу. 52
ВИСНОВКИ 54
 Наукова та практична новизна отриманих результатів.
 Рекомендації щодо використання оптимізованих алгоритмів у корпоративних та
операторських мережах.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 59
Додатки 61
 Конфігураційні файли маршрутизаторів.
 Скрипти моделювання.
 Додаткові графіки та таблиці.

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 5
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВСТУП
Сучасні комп’ютерні мережі стрімко зростають за розміром, складністю та
різноманітністю служб, що вони обслуговують. Розвиток хмарних сервісів, Інтернету
речей (IoT), мобільних додатків та мультимедійного трафіку створює постійно
зростаючі вимоги до пропускної здатності, затримки та надійності з’єднання. У таких
умовах традиційні підходи до маршрутизації, що успішно працювали в мережах
малого та середнього розміру, часто виявляють обмеження: погіршується час
конвергенції, збільшується обсяг службового трафіку для синхронізації топології,
ростуть вимоги до обчислювальних і пам’ятних ресурсів маршрутизаторівх[6-13]. Це
робить проблему вибору й оптимізації алгоритмів динамічної маршрутизації
критичною для забезпечення безперервності та ефективності роботи великих IP-
мереж.
Окрім обсягів трафіку, сучасні мережі повинні забезпечувати гарантії якості
обслуговування (QoS), стійкість до відмов та захищеність від динамічних загроз[29].
Швидке відновлення зв’язності після відмов, мінімізація періоду неконсистентності
маршрутних таблиць та контроль над витратами на обслуговування мережі — усі ці
завдання безпосередньо залежать від властивостей алгоритмів маршрутизації та їхньої
реалізації. Водночас появa нових технологій (SDN, сегментна маршрутизація,
алгоритми з елементами машинного навчання) відкриває можливості для принципово
нових підходів до управління маршрутами, але потребує системної оцінки їхньої
ефективності та практичної придатності в масштабних середовищах.
Таким чином, дослідження, що поєднує аналіз поведінки класичних та
сучасних алгоритмів динамічної маршрутизації в мережах з великою кількістю
вузлів та розробку/оцінку методів їхньої оптимізації, має високу наукову і практичну
значущість. Результати такої роботи дозволять: визначити компроміси між часом
конвергенції, обсягом службового трафіку і витратами ресурсів; запропонувати
практичні рекомендації щодо проєктування і налаштування протоколів у великих
корпоративних і операторських мережах; оцінити доцільність впровадження сучасних
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 6
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

підходів (multi-area, aggregation, fast reroute, segment routing, SDN-орієнтовані
механізми) у реальних умовах.
На практиці це означає підвищення доступності та якості мережевих сервісів,
зниження ризиків тривалих простоїв і оптимізацію експлуатаційних витрат — що
робить тему дослідження актуальною для інтернет-провайдерів, великих
корпоративних мереж, дата-центрів та розробників мережевого ПЗ.
Мета дослідження — провести комплексний аналіз ефективності існуючих
алгоритмів динамічної маршрутизації (OSPF, EIGRP, RIP, BGP) у великих IP-
мережах, виявити їхні обмеження при масштабуванні та розробити практичні методи
оптимізації з метою підвищення швидкодії, надійності й ефективності використання
ресурсів мережі.
Для досягнення поставленої мети необхідно виконати такі завдання:
1. Провести огляд теоретичних основ динамічної маршрутизації та
класифікацію основних алгоритмів і протоколів.
2. Дослідити показники ефективності алгоритмів маршрутизації — час
конвергенції, стабільність таблиць маршрутів, обсяг службового трафіку та
споживання ресурсів.
3. Побудувати моделі мереж з великою кількістю вузлів у середовищі Cisco
Packet Tracer та здійснити серію експериментів із використанням різних протоколів
маршрутизації.
4. Виконати порівняльний аналіз отриманих результатів для різних
протоколів і топологій.
5. Запропонувати й оцінити методи оптимізації (ієрархічна маршрутизація,
агрегація маршрутів, налаштування таймерів, використання резервних шляхів).
6. Надати рекомендації щодо вибору та налаштування алгоритмів
маршрутизації для великих корпоративних і операторських мереж.
Об’єкт і предмет дослідження
Об’єкт дослідження — процес маршрутизації даних у великих IP-мережах.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 7
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Предмет дослідження — алгоритми динамічної маршрутизації (OSPF, EIGRP,
RIP, BGP) та методи їхньої оптимізації з урахуванням масштабованості, часу
конвергенції й ефективності використання мережевих ресурсів.
Методи дослідження
У роботі використано такі методи:
 Аналітичні методи — для систематизації та порівняння властивостей
алгоритмів динамічної маршрутизації, аналізу їхніх переваг і недоліків у різних
топологіях.
 Математичне моделювання — для формалізації процесу пошуку
оптимальних маршрутів і оцінки часових характеристик конвергенції.
 Експериментальне моделювання — для практичної перевірки роботи
протоколів маршрутизації у симуляційному середовищі Cisco Packet Tracer [6],
вимірювання продуктивності та службового трафіку.
 Статистичний аналіз — для обробки отриманих даних, побудови
графіків залежностей і визначення закономірностей у поведінці алгоритмів при
масштабуванні.
 Методи оптимізації мережевого управління — для розробки та оцінки
пропозицій щодо покращення параметрів маршрутизації.
Наукова новизна та практична значущість
Наукова новизна роботи полягає в тому, що:
1. Проведено комплексне порівняльне дослідження поведінки алгоритмів
динамічної маршрутизації в умовах збільшення кількості вузлів мережі.
2. Виявлено залежності між масштабом мережі, часом конвергенції та
службовим навантаженням для різних протоколів.
3. Запропоновано підхід до оптимізації процесу маршрутизації на основі
комбінування ієрархічної структури мережі, агрегації маршрутів та налаштування
таймерів оновлення.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 8
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

4. Удосконалено методику оцінювання ефективності протоколів
маршрутизації шляхом використання експериментальних вимірювань у
симуляційному середовищі.
Практична значущість роботи полягає в тому, що:
 отримані результати можуть бути використані при проектуванні та
оптимізації мереж великого масштабу (корпоративних, операторських, освітніх).
 розроблені рекомендації щодо налаштування OSPF, EIGRP, RIP та
BGP дозволяють зменшити час відновлення зв’язності та службове навантаження на
маршрутизатори.
 методика моделювання та аналізу може бути застосована в навчальному
процесі при вивченні дисциплін із комп’ютерних мереж та телекомунікацій.

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 9
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ДИНАМІЧНОЇ МАРШРУТИЗАЦІЇ В
IP-МЕРЕЖАХ
1.1. Класифікація алгоритмів маршрутизації
Маршрутизація є одним із ключових процесів функціонування комп’ютерних
мереж, що забезпечує вибір оптимального шляху для передачі даних між джерелом і
призначенням[2, 19]. Ефективність маршрутизації безпосередньо впливає на
продуктивність, надійність та масштабованість мережі. Алгоритми маршрутизації
класифікуються за різними ознаками[19, 20], серед яких: спосіб побудови маршрутів,
характер адаптації до змін у топології, використання метрик, централізованість
управління та тип інформації, що обробляється.
Класифікація за способом управління
1. Статична маршрутизація (Static Routing)
Маршрути задаються адміністратором вручну та не змінюються автоматично
при зміні топології мережі. Це забезпечує простоту реалізації, низьке службове
навантаження.
Недоліком динамічної маршрутизації є: відсутність адаптивності, необхідність
ручного оновлення маршрутів.
Застосувується статична маршрутизація в невеликих або стабільних мережах,
де топологія рідко змінюється.
2. Динамічна маршрутизація (Dynamic Routing)
Маршрути обчислюються автоматично на основі інформації, отриманої від
інших маршрутизаторів. Це дозволяє здійснювати автоматичну адаптацію до змін,
швидке відновлення зв’язності.
Недоліком динамічної маршрутизації є: збільшення службового трафіку,
складність налаштування. Застосувується у великих корпоративних та
операторських мережах.

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 10
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Класифікація за сферою застосування
 Внутрішні протоколи маршрутизації (IGP — Interior Gateway Protocols)
Застосовуються всередині автономної системи (AS).
Приклади внутрішніх протоколів маршрутизації: RIP, OSPF, EIGRP, IS-IS.
 Зовнішні протоколи маршрутизації (EGP — Exterior Gateway Protocols)
Використовуються для обміну маршрутною інформацією між різними
автономними системами.
Приклад: BGP (Border Gateway Protocol).

Класифікація за алгоритмічним принципом роботи
 Алгоритми з вектором відстаней (Distance Vector Algorithms)
Кожен маршрутизатор зберігає таблицю відстаней до всіх відомих мереж і
періодично обмінюється цією інформацією з сусідами.
Протоколи: RIP, EIGRP (гібридний, але базується на Distance Vector).
Переваги: простота реалізації, низькі вимоги до ресурсів.
Недоліки: повільна конвергенція, ризик появи петель маршрутизації (routing
loops).
 Алгоритми з інформацією про стан каналу (Link State Algorithms)
Кожен маршрутизатор знає повну топологію мережі та самостійно обчислює
найкоротші шляхи до кожного вузла за допомогою алгоритму Дейкстри.
Протоколи: OSPF, IS-IS.
Переваги: швидка конвергенція, масштабованість.
Недоліки: більша потреба у пам’яті й процесорних ресурсах.
 Алгоритми з інформацією про шляхи (Path Vector Algorithms)[14-18]
Кожен маршрутизатор зберігає повний шлях (послідовність автономних
систем) до кожної мережі.
Протокол: BGP.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 11
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Переваги: контроль політик маршрутизації, масштабованість для глобальних
мереж.
Недоліки: складність конфігурації, можливі затримки у конвергенції.
Класифікація за способом обчислення маршрутів
 Проактивні алгоритми (Proactive Routing) — маршрути постійно
підтримуються в актуальному стані, навіть якщо не використовуються (OSPF,
EIGRP).
 Реактивні алгоритми (Reactive Routing) — маршрути обчислюються
лише у разі потреби (частіше використовується у бездротових або ad-hoc мережах,
наприклад, AODV).
 Гібридні алгоритми (Hybrid Routing) — поєднують властивості обох
підходів (наприклад, EIGRP).
Класифікація за метриками маршрутизації
Алгоритми маршрутизації використовують різні метрики для визначення
«найкращого» маршруту:
 кількість переходів (hop count) — у RIP;
 пропускна здатність (bandwidth) — у EIGRP;
 затримка (delay);
 надійність (reliability);
 завантаженість каналу (load);
 вартість маршруту (cost) — у OSPF.
Залежно від набору метрик, протокол може використовувати однофакторну
або багатофакторну оптимізацію.
В таблиці 1.1 наведена порівняльна характеристика основних протоколів
маршрутизації

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 12
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 1.1 порівняльна характеристика основних протоколів маршрутизації
Тип Область Час
Протоко Основна Масштабованіст
алгоритм застосуванн конвергенці
л метрика ь
у я ї
Distance Кількість
RIP IGP Повільний Низька
Vector переходів
Вартість
OSPF Link State IGP Швидкий Висока
(Cost)
Hybrid Дуже
EIGRP IGP Комбінована Висока
(DV/LS) швидкий
Політика
Path
BGP EGP маршрутизаці Середній Дуже висока
Vector
ї

1.2. Протоколи динамічної маршрутизації: RIP, OSPF, IS-IS, EIGRP, BGP.
Динамічна маршрутизація — це метод автоматичного побудування та
оновлення таблиць маршрутизації між маршрутизаторами. Вона дозволяє мережам
автоматично адаптуватися до змін топології (наприклад, виходу з ладу лінії зв’язку чи
маршрутизатора). Основна відмінність від статичної маршрутизації — автоматичне
оновлення маршрутів без ручного втручання адміністратора.
Переваги динамічної маршрутизації:
 Визначення найкращого маршруту до мережі.
 Оповіщення сусідів про зміни в топології.
 Забезпечення стабільності та уникнення петель маршрутизації.
Розглянемо більш детально основні протоколи динамічної маршрутизації[8-
10,12,13,24]: RIP, OSPF, IS-IS, EIGRP, BGP (рис.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 13
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 1.1 Протоколи динамічної маршрутизації
В таблиці 1.2 наведена класифікація за сферою застосування основних
протоколів динамічної маршрутизації
Таблиця 1.2 класифікація основних протоколів динамічної маршрутизації
Тип протоколу Приклади Принцип роботи
Interior Gateway RIP, OSPF, IS- Працюють усередині
Protocols (IGP) — внутрішні IS, EIGRP автономної системи
Exterior Gateway Працюють між
BGP
Protocols (EGP) — зовнішні автономними системами (AS)
Протокол RIP (Routing Information Protocol)
Тип: Distance Vector
Метрика: кількість хопів (макс. 15)
Оновлення: кожні 30 секунд
Версії: RIP v1 (без масок), RIP v2 (з підтримкою VLSM і автентифікації)
Особливості протоколу RIP:
 Простий у налаштуванні.
 Підходить лише для невеликих мереж.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 14
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 Повільна конвергенція (оновлення після таймерів).
Недоліки:
 Обмеження 15 хопів.
 Не враховує пропускну здатність або затримки.
Протокол OSPF (Open Shortest Path First)
Тип: Link State
Метрика: “cost” (вартість маршруту, залежить від пропускної здатності)
Алгоритм: Dijkstra (Shortest Path First)
Простір: поділ на області (areas) для масштабованості
Особливості:
 Швидка конвергенція.
 Підтримка VLSM/CIDR.
 Використовує Hello-пакети для виявлення сусідів.
 Автентифікація та багаторівнева структура (backbone area 0).
Переваги:
 Підходить для великих корпоративних мереж.
 Ефективна передача лише змін у топології.
Протокол IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) [12]
Тип: Link State
Метрика: cost (аналогічно до OSPF)
Алгоритм: Dijkstra
Спочатку розроблений для OSI, пізніше адаптований до IP.
Особливості:
 Працює на рівні 2 моделі OSI (Data Link).
 Масштабований і стабільний.
 Використовується в телекомунікаційних мережах (провайдери, backbone).
Відмінність від OSPF:
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 15
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

IS-IS не використовує IP для комунікації між маршрутизаторами, що знижує
накладні витрати.

Протокол EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)
Тип: Hybrid (поєднання Distance Vector і Link State)
Метрика: комбінація пропускної здатності, затримки, надійності й
завантаження.
Алгоритм: DUAL (Diffusing Update Algorithm)
Особливості:
 Власницький протокол Cisco (тепер відкритий стандарт).
 Швидка конвергенція, малі накладні витрати.
 Використовує neighbor table, topology table і routing table.
Переваги:
 Ефективний у середніх і великих мережах.
 Підтримує VLSM, сумаризацію, балансування навантаження.
Протокол BGP (Border Gateway Protocol)
Тип: Path Vector (між автономними системами)
Метрика: політика маршрутизації (AS-PATH, MED, LOCAL_PREF,
COMMUNITY).
Основне призначення: маршрутизація в Інтернеті між провайдерами (AS).
Особливості:
 Підтримує фільтрацію маршрутів.
 Зберігає стабільність Інтернету.
 Не обчислює “найкоротший шлях”, а враховує політики (економічні,
адміністративні).
Версія: BGP-4 — підтримує CIDR, IPv6.
В таблиці 1.3 наведено порівняння протоколів динамічної маршрутизації

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 16
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 1.3 Порівняльна таблиця протоколів динамічної маршрутизації
Швидкість
Протокол Тип Алгоритм Метрика Сфера використання
конвергенції
Distance Bellman-
RIP Хопи Малі мережі Низька
Vector Ford
OSPF Link State Dijkstra Вартість Середні/великі мережі Висока
Великі мережі
IS-IS Link State Dijkstra Вартість Висока
(провайдери)
EIGRP Hybrid DUAL Комбінована Середні/великі мережі Дуже висока
Повільна, але
BGP Path Vector — Політика Між AS (Інтернет)
стабільна

1.3. Основні метрики маршрутизації (затримка, кількість стрибків,
пропускна здатність, вартість).
Метрика маршрутизації — це числове значення, яке використовується
маршрутизатором для оцінки “якості” або “вартості” шляху до певної мережі. Вона
дозволяє вибрати найкращий (оптимальний) маршрут серед кількох доступних[19,20].
Маршрутизатор може мати кілька шляхів до однієї цільової мережі, і саме метрика
визначає, який шлях буде обраний для передачі пакетів.
Менше значення метрики = кращий маршрут.
Таким чином метрики — це основа для вибору оптимального маршруту.
Різні протоколи використовують різні або комбіновані метрики. Сучасні
протоколи (OSPF, EIGRP) враховують кілька параметрів одночасно, що забезпечує
стабільну й ефективну маршрутизацію Таким чином найкращим є маршрут
необовязково накоротший; важлива якість каналу.
Далі розглянемо основні види метрик маршрутизації
Основні види метрик маршрутизації
1. Кількість стрибків (Hop Count)
 Визначається як кількість маршрутизаторів (вузлів), через які
проходить пакет до цілі.
 Використовується в: RIP (Routing Information Protocol).
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 17
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 Одиниці виміру: кількість переходів (хопів).
 Переваги: проста в обчисленні.
 Недоліки: не враховує пропускну здатність чи затримку — тобто
може обрати “коротший”, але повільніший маршрут.
 Обмеження: у RIP — максимум 15 хопів (16 = недосяжна мережа).
2. Затримка (Delay / Latency)
 Вищзначається як час, необхідний для проходження пакета від джерела до
призначення.
 Вимірюється в: мілісекундах (ms).
 Використовується в: EIGRP.
 Враховує:
o Затримку в чергах маршрутизаторів;
o Час обробки пакета;
o Затримку на лініях зв’язку;
o Пропускну здатність каналу.
Перевага: відображає реальну “швидкість” маршруту.
Недолік: складніше обчислюється, ніж hop count.
3. Пропускна здатність (Bandwidth)
 Визначається як максимальна кількість даних, яку можна передати
за одиницю часу через канал зв’язку.
 Одиниця виміру: кілобіти/мегабіти на секунду (Kbps, Mbps).
 Використовується в: OSPF, EIGRP.
Як використовується:
OSPF, наприклад, обчислює “вартість” маршруту як обернену величину
пропускної здатності:

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 18
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

(де Reference Bandwidth за замовчуванням = 100 Mbps)
Приклад:
 Інтерфейс 100 Mbps → cost = 1
 Інтерфейс 10 Mbps → cost = 10
➡️ Менша вартість = вища пропускна здатність.
4. Вартість (Cost)
 Визначається як: умовна оцінка “ціни” маршруту, яку визначає
адміністратор або протокол.
 Використовується в: OSPF, IS-IS.
 Може базуватися на: пропускній здатності, затримці, надійності,
типі лінії.
Особливість:
 У OSPF вартість обчислюється автоматично.
 У IS-IS або EIGRP може бути задана вручну.
Приклад:
Адміністратор може призначити більш високий “cost” для повільного каналу,
щоб маршрутизатор уникав його при виборі шляху.
Комбіновані метрики
Деякі протоколи (наприклад, EIGRP) використовують комбіновану метрику,
що включає кілька параметрів:
,
де кожен параметр має ваговий коефіцієнт (K1–K5).
Це дозволяє гнучко оцінювати маршрути з урахуванням реальних умов мережі.
В таблиці 1.4 наведені метрики , які використовують протоколи динамічної
маршрутизації.

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 19
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 1.4 Порівняльна таблиця протоколів динамічної маршрутизації
Використовується
Метрика Позначення Переваги Недоліки
в
Кількість стрибків Ігнорує швидкість
хопи RIP Простота
(Hop Count) каналів
Враховує реальний Залежить від
Затримка (Delay) ms EIGRP
час передачі навантаження
Пропускна
Обирає найшвидший Не враховує
здатність Mbps OSPF, EIGRP
канал затримки
(Bandwidth)
Гнучке Вимагає ручного
Вартість (Cost) умовна OSPF, IS-IS
налаштування керування

1.4. Проблеми масштабованості в мережах з великою кількістю вузлів.
Масштабованість — це здатність мережі підтримувати зростання кількості
вузлів, трафіку або послуг без суттєвого погіршення продуктивності, стабільності чи
керованості. Тобто маштабованість визначає наскільки добре мережа “розширюється”
без збоїв і перевантажень.
Серед основних проблем масштабованості можна виділити[13-15]:
 Збільшення розмірів таблиць маршрутизації
 У великих мережах кількість маршрутів різко зростає.
 Повільна конвергенція
 Збільшення обсягу службового трафіку
 Проблеми адміністрування та керування
 Надмірна взаємозалежність між областями
 Проблеми безпеки
Збільшення розмірів таблиць маршрутизації можеприздодити до:
 перевантаження пам’яті маршрутизаторів;
 збільшення часу пошуку найкращого маршруту;
 затримок при оновленні топології.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Наприклад у глобальному Інтернеті таблиця маршрутизації BGP може містити
понад 900 000 префіксів, що створює значне навантаження на маршрутизатори
провайдерів.
Внаслідок повільної конвергенції при зміні топології (вихід з ладу лінка чи
маршрутизатора) кожен вузол повинен оновити свої маршрути. У великих мережах
цей процес займає більше часу, що може призвести до тимчасових втрат зв’язку або
петель маршрутизації.
Наприклад у протоколах типу RIP або OSPF [8] конвергенція може тривати
секунди або навіть хвилини у мережах з сотнями маршрутизаторів.
Збільшення обсягу службового трафіку може притзводити до того що протоколи
маршрутизації передають службові пакети (Hello, LSA, Update тощо) і коли вузлів
стає багато, службовий трафік починає перевантажувати мережу, зменшуючи
пропускну здатність для корисних даних. Наприклад OSPF у великій мережі з сотнями
вузлів може генерувати значний потік LSA-повідомлень при кожній зміні.
Проблеми адміністрування та керування повязані з тим, що важко
контролювати конфігурацію великої кількості маршрутизаторів. Помилки
конфігурації (наприклад, неправильна маска або політика) можуть викликати збої у
всій мережі. Виникає потреба у централізованому моніторингу, керуванні й
автоматизації[16] (наприклад, SDN — Software Defined Networking).
Надмірна взаємозалежність між областями призводить до того , що у великих
мережах події в одній частині можуть впливати на інші області. Це створює ризик
нестабільності всієї системи при локальних збоях.
Наприклад у протоколі [13] OSPF — якщо не поділити мережу на області
(areas), будь-яка зміна викликає оновлення у всіх вузлах.
Проблеми безпеки спричиняються тим, що велика кількість вузлів збільшує
кількість точок потенційного злому. Необхідно масштабувати системи автентифікації,
шифрування, контроль доступу. Виникають труднощі з централізованим
розгортанням політик безпеки.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 21
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

В таблиці 1.5 наведені типові методи подолання проблем масштабованості
мереж
таблиці 1.5 Методи подолання проблем масштабованості
Проблема Рішення
Ієрархічна маршрутизація, сумаризація маршрутів (route
Збільшення aggregation). Поділ великої мережі на підмережі (domains, areas),
таблиць щоб обмежити обсяг інформації, яку повинен обробляти кожен
маршрутизації маршрутизатор. Об’єднання кількох маршрутів у один
узагальнений (наприклад, /24 → /16)
Повільна Використання швидших протоколів (OSPF, EIGRP, IS-IS),
конвергенція оптимізація таймерів
Надмірний Поділ мережі на зони/areas, фільтрація маршрутів для
службовий трафік запобігання поширенню непотрібних маршрутів між областями
Складність Централізоване керування, SDN, автоматизація (Ansible,
адміністрування Netconf)
Автентифікація маршрутизаторів, шифрування, контроль
Безпека доступу, сегментація. Для контролю напрямків трафіку
відповідно до політик, а не лише найкоротшого шляху

Таким чином масштабованість — одна з найважливіших характеристик
сучасних мереж. Зі зростанням кількості вузлів різко збільшується складність
підтримки стабільності та продуктивності. Ієрархічна структура, ефективні протоколи
маршрутизації та централізоване керування — основні засоби вирішення проблем
масштабування.
1.5. Огляд сучасних підходів до оптимізації (ієрархічна маршрутизація,
агрегація, fast reroute, SDN).
Оптимізація маршрутизації — це набір методів, спрямованих на підвищення
ефективності роботи мережі за рахунок з метою зробити маршрутизацію
масштабованою, швидкою та стійкою до збоїв, що призведе до:
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 22
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 зменшення службового трафіку,
 скорочення часу конвергенції,
 зниження навантаження на маршрутизатори,
 підвищення стабільності та надійності мережі.
Розглянемо сучасні підходи до оптимізації більш детальною.
Ієрархічна маршрутизація
Ієрархічна маршрутизація [22] — це метод організації маршрутизаторів у
багаторівневу структуру, де кожен рівень відповідає за свою область (domain, area,
region). Використовується для зменшення обсягу таблиць маршрутизації і локалізації
оновлень.
Принцип дії полягає у тому, що:
 Мережа ділиться на області (areas).
 Всередині області всі маршрутизатори обмінюються повною інформацією.
 Між областями передається лише узагальнена (агрегована) інформація.
Наприклад у OSPF область 0 (backbone area) з’єднує інші області (area 1, area 2
тощо). Зміни всередині area 1 не впливають на area 2.
До переваг ієрархічна маршрутизація можна віднести
 Зменшення службового трафіку.
 Прискорення конвергенції.
 Краща масштабованість.
Агрегація маршрутів (Route Aggregation)
Агрегація маршрутів (або сумаризація) [13] — це процес об’єднання кількох
суміжних мереж в одну більшу, яка представляється спільним маршрутом.
Наприклад три мережі 192.168.1.0/24, 192.168.2.0/24, 192.168.3.0/24 можна
агрегувати в один узагальнений маршрут: 192.168.0.0/22
Така оптимізація дозволяє
 Зменшує розмір таблиць маршрутизації.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 23
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 Знижує обсяг оновлень у мережі.
 Приховує внутрішню топологію (додатковий рівень безпеки).
Як недолік може знижувати точність маршрутизації (наприклад, приховує
окремі підмережі).
Fast Reroute (FRR)
Fast Reroute (FRR)[5, 7, 10] — технологія, що забезпечує миттєве
перенаправлення трафіку при відмові лінії або вузла без очікування повної
конвергенції протоколу маршрутизації.
Принцип роботи FRR полягає в тому, що попередньо обчислюється
альтернативний маршрут (backup path). Якщо основний шлях виходить з ладу,
маршрутизатор миттєво переключає трафік на резервний — зазвичай за менше ніж 50
мс.
Наприклад технології FRR реалізовані в:
 OSPF Fast Reroute (IPFRR),
 MPLS Fast Reroute,
 IS-IS Loop-Free Alternate (LFA).
Переваги Fast Reroute полягають в мінімізації втрати пакетів при збої,
швидкому відновленні сервісів у критичних системах (VoIP, відео, фінансові
сервіси), підвищенні надійності без втручання оператора.
SDN (Software-Defined Networking)
SDN [16,18,26]— це архітектура мережі, де керування трафіком відокремлене
від апаратного рівня і здійснюється програмно з єдиного центра.
Основні принципи роботи SDN полягають у:
1. Централізоване управління: контролер SDN приймає рішення про
маршрутизацію для всіх пристроїв.
2. Відокремлення control plane від data plane: маршрутизатори просто
виконують інструкції контролера.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 24
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3. Програмна конфігурація: правила маршрутизації, безпеки, QoS задаються через
API (наприклад, OpenFlow).
Приклад реалізації:
 Контролери OpenDaylight, ONOS, Cisco ACI, VMware NSX.
 Використовується у хмарних дата-центрах, провайдерських і корпоративних
мережах.
Переваги SDN полягають у :
 Гнучкісті: швидке переналаштування мережі.
 Централізованому керування.
 Зменшенню людських помилок.
 Можливістю автоматизації (DevOps, NetOps).
До недоліків можна віднести:
 Залежність від контролера (single point of failure).
 Потребує нових знань і інструментів у адміністраторів.
Порівняльня підходів щодо дооптимізації маршрутизації наведено в таблиці 1.6
Таблиця 1.6. Порівняльна таблиця підходів дооптимізації маршрутизації
Підхід Призначення Основна ідея Переваги
Менше службових
Ієрархічна Зменшення Поділ мережі на
даних, швидша
маршрутизація навантаження області
конвергенція
Агрегація Оптимізація Об’єднання Менші таблиці,
маршрутів таблиць префіксів стабільність
Висока Попередній
Fast Reroute Перемикання < 50 мс
доступність резервний шлях
Програмне
Централізоване Гнучкість,
SDN управління
керування автоматизація
мережею
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Висновки
Сучасні мережі вимагають адаптивних, масштабованих і швидкодійних
механізмів маршрутизації. Класичні методи (OSPF, BGP) вдосконалюються через
агрегацію, FRR, ієрархічну структуру. SDN — це наступний етап розвитку, що
поєднує програмованість, автоматизацію і централізований контроль.

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 26
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

РОЗДІЛ 2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ АЛГОРИТМІВ
ДИНАМІЧНОЇ МАРШРУТИЗАЦІЇ
2.1 Опис середовища моделювання динамічної маршрутизації (Cisco Packet
Tracer)
Загальна характеристика Packet Tracer
Cisco Packet Tracer[6] — це симулятор комп’ютерних мереж, розроблений
компанією Cisco Systems для навчання принципам побудови, налаштування та
тестування мереж різного рівня складності.
Це потужний інструмент для моделювання динамічної маршрутизації, який
дозволяє без фізичного обладнання створювати віртуальні топології, налаштовувати
протоколи та аналізувати обмін пакетами.
Основні можливості середовища
 Створення віртуальних мереж будь-якої складності.
 Налаштування мережевих пристроїв Cisco (маршрутизаторів, комутаторів,
серверів, ПК).
 Підтримка динамічних протоколів маршрутизації:
o RIP (Routing Information Protocol)
o OSPF (Open Shortest Path First)
o EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)
o BGP (Border Gateway Protocol)
 Перевірка роботи алгоритмів маршрутизації в реальному часі (Realtime Mode)
або в режимі симуляції (Simulation Mode).
 Візуалізація проходження пакетів між вузлами.
 Імітація збоїв і перевірка механізмів відмовостійкості (failover, convergence).
Основні режими роботи
Опис основних режимів роботи Cisco Packet Tracer наведений у таблиці 2.1

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 27
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 2.1 Основні режими роботи Cisco Packet Tracer
Режим Опис
Realtime Робота мережі в режимі реального часу. Усі протоколи та пристрої
Mode працюють «живцем».
Simulation Покрокова симуляція обміну пакетами. Дає змогу аналізувати
Mode маршрути, таблиці та процес маршрутизації.
У режимі Simulation користувач може спостерігати, як пакети
маршрутизуються, оновлюються таблиці та як відбувається конвергенція мережі.
Серед онсновних компонентів інтерфейсу Cisco Packet Tracer можна виділити:
 Workspace (Робоче поле): місце для розміщення пристроїв та з’єднань.
 Device-Type Selection Box: панель вибору типів пристроїв (маршрутизатори,
комутатори, ПК, сервери тощо).
 Device-Specific Selection Box: вибір конкретної моделі пристрою (наприклад,
Cisco 2911 або 1941).
 Toolbar: інструменти масштабування, виділення, тестування кабелів.
 Event List (у Simulation Mode): список усіх подій обміну пакетами.
 CLI (Command Line Interface): консоль налаштування пристроїв командним
рядком, як у реальних маршрутизаторах Cisco.
Приклад сценарію моделювання динамічної маршрутизації
Щоб налаштувати динамічну маршрутизацію між трьома маршрутизаторами
(рис. 2.1) з використанням протоколу OSPF необхідно виконати наступні етапи:
1. Розмістити на робочому полі 3 маршрутизатори Cisco 2911.
2. З’єднати їх послідовними або Ethernet-кабелями.
3. Призначити IP-адреси інтерфейсам.
4. Активувати протокол маршрутизації OSPF:
5. Router(config)# router ospf 1
6. Router(config-router)# network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 0
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 28
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

7. Перевірити таблицю маршрутизації:
8. Router# show ip route ospf
9. В режимі Simulation відстежити передачу ICMP-пакету між вузлами.

Рис. 2.1 Модель мережі з динамічною маршрутизацією між трьома
маршрутизаторами
Cisco Packet Tracer — ефективне навчальне середовище для дослідження
принципів динамічної маршрутизації. Воно дає змогу наочно зрозуміти роботу таких
протоколів, як RIP, OSPF, EIGRP і BGP, відпрацювати сценарії конвергенції,
налаштування та відмовостійкості без використання дорогого обладнання.
2.2. Побудова тестових топологій (50, 200, 1000 вузлів).
Побудуємо серію моделей мережі з різною кількістю вузлів (50, 200, 1000) для
аналізу:
 роботи протоколів динамічної маршрутизації (RIP, OSPF, EIGRP);
 масштабованості мережі;
 часу конвергенції;
 стабільності при зростанні кількості вузлів.
Всі три топології будуються за ієрархічним принципом ((рис. 2.2)):
ядро (Core) → дистрибуція (Distribution) → доступ (Access).
Будемо використовувати типові пристрої Cisco:
 Маршрутизатори: Cisco 2911 або 1941
 Комутатори: Cisco 2960
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 Кінцеві вузли: ПК або сервери
Розглянемо протоколи маршрутизації:
 OSPF для великих мереж (200, 1000 вузлів);
 EIGRP або RIP для малої (50 вузлів).

Рис.2.2 Складові мереж з ієрархічною топологією

Топологія №1 — 50 вузлів
Структура мережі містить (рис.2.3):
 3 маршрутизатори (R1, R2, R3) Cisco
 6 комутаторів доступу
 40 ПК
 1 сервер
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 30
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 Кожен маршрутизатор з’єднаний із двома іншими (трикутна схема).
 Від кожного маршрутизатора — дві гілки комутаторів доступу.
 Кожен комутатор обслуговує ~6–8 ПК.

Рис.2.3 Топологія мережі з 50 вузлами
Для такої топології рекомендовано використати динамічну маршрутизацію RIP
v2 або EIGRP, призначати IP-адреси у межах 192.168.X.0/24 для кожного сегмента.
Перевірити маршрутизацію можна командою: show ip route/.
Топологія №2 — 200 вузлів
Структура мережі містить (рис. 2.4):
 6 маршрутизаторів (2 ядра, 4 дистрибуційні)
 20 комутаторів доступу
 170 ПК + 2 сервери + 2 принтери
 Поділ мережі на 4 області OSPF (area 0, 1, 2, 3)
Для організації такої топології необхідно:
 Два маршрутизатори ядра (R-Core1, R-Core2) з’єднані між собою
(backbone).
 Кожна область має свій дистрибуційний маршрутизатор (ABR).
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 31
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 До кожного ABR підключено 5 комутаторів доступу.
 Кожен комутатор обслуговує 8–10 ПК.

Рис.2.4 Топологія мережі з 200 вузлами
Для такої топології рекомендовано використати OSPF з ієрархічною
структурою, застосувати агрегацію маршрутів між областями: router ospf 1, area 1
range 192.168.0.0 255.255.252.0. У Simulation Mode проаналізувати оновлення LSA.
Топологія №3 — 1000 вузлів
Структура мережі містить (рис. 2.5) :
 10 маршрутизаторів (2 ядра, 4 дистрибуційні, 4 крайові)
 50 комутаторів доступу
 900 ПК, 5 серверів, 5 мережевих принтерів
 5 областей OSPF (area 0 – backbone + area 1–4)
 Можлива емуляція сегментів за допомогою кластерів (Groups) для зменшення
навантаження
Для організації такої топології необхідно:
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 32
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 Два маршрутизатори ядра, які формують backbone (area 0).
 Кожен дистрибуційний маршрутизатор обслуговує одну область.
 У межах області — комутатори доступу, кожен з 15–20 ПК.
 Сервери розміщені в area 0 (централізований дата-центр).

Рис.2.5 Топологія мережі з 1000 вузлів
Для такої топології рекомендовано використати протокол: OSPF або EIGRP
(stub areas). Для великих мереж важливо обмежити оновлення маршрутів:
використати Route summarization, вимкнути непотрібні протоколи рівня 2,
застосувати passive-interface default.

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.3. Порівняння алгоритмів за критеріями( час конвергенції після
відмови вузла/лінка, затримка доставки пакетів, стабільність маршрутів).
Результатом проведення тестування ефективності мереж вище наведених
топологій є: середній час конвергенції, обсяг службового трафіку, складність
адміністрування, необхідність ієрархії.
Результати тестування наведені в таблиці 2.2.
Таблиця 2.2 Результати тестування мереж з динамічною маршрутизацією
Параметр 50 вузлів 200 вузлів 1000 вузлів
Протокол RIP/EIGRP OSPF (4 areas) OSPF/EIGRP
Середній час конвергенції < 5 c 5–10 c 20–30 c
Обсяг службового трафіку Низький Середній Високий
Складність адміністрування Низька Середня Висока
Необхідність ієрархії Опціонально Обов’язково Критично

За результатами тестування можна зробити наступні висновки:
 Для топології на 1000 вузлів слід використовувати кластеризацію
(Groups) у Packet Tracer — це зменшить навантаження.
 Необхідно перевіряти продуктивність через Simulation Mode → Event List.
 Слід вмикай лише потрібні протоколи і вимкнути STP, CDP, DNS тощо,
щоб уникнути перевантаження.
 Слід зберігати окремі файли для кожної топології: Lab_50nodes.pkt,
Lab_200nodes.pkt, Lab_1000nodes.pkt.
 Лістинги налаштувань мережевих пристроїв наведені в додатках А-Д.
Висновки
Класифікація алгоритмів маршрутизації дозволяє визначити їхні сильні та
слабкі сторони, що є основою для подальшого аналізу ефективності у великих
мережах. Для масштабних топологій доцільно застосовувати Link State або Hybrid
алгоритми (OSPF, EIGRP), які забезпечують швидку конвергенцію та стійкість до
змін, тоді як Distance Vector алгоритми (RIP) доцільні лише у малих мережах.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 34
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Подальше дослідження спрямоване на оцінювання їхньої поведінки в умовах
зростання кількості вузлів та розробку методів оптимізації параметрів маршрутизації.
RIP — підходить лише для малих лабораторних мереж (до 50 вузлів), простий,
але повільний у конвергенції.
OSPF — оптимальний для середніх і великих мереж (≈200 вузлів), забезпечує
баланс між швидкістю, стабільністю й масштабованістю.
EIGRP — має найшвидшу конвергенцію та високу ефективність, зручний для
корпоративних мереж до 500 вузлів.
BGP — основа глобальної маршрутизації (Інтернет, 1000+ вузлів), але складний
у налаштуванні й вимагає великих ресурсів.
Порівняльна таблиця алгоритмів динамічної маршрутизації (RIP, OSPF,
EIGRP, BGP) за критеріями, що відповідають побудованим топологіям (50, 200, 1000
вузлів) наведена в таблиці 2.3
Таблиця 2.3 Порівняльна характеристика алгоритмів динамічної маршрутизації
EIGRP
RIP (Routing BGP (Border
Критерій / OSPF (Open (Enhanced
Information Gateway
Протокол Shortest Path First) Interior Gateway
Protocol) Protocol)
Routing Protocol)
Advanced Distance
Тип протоколу Distance Vector Link State Path Vector
Vector (Hybrid)
Дуже великі,
Середні та великі міждоменно
Рекомендована Малі мережі Середні та великі
мережі (до 500 з’єднані мережі
топологія (≈50 вузлів) мережі (≈200 вузлів)
вузлів) (≈1000+ вузлів,
Інтернет)
⏱️ Повільний
⏱️ Повільний ⚡ Дуже швидкий
Час конвергенції ⚡ Швидкий (1–10 с) (секунди–
(10–60 с) — (менше 5 с) —
після відмови — завдяки SPF- хвилини),
через періодичні завдяки DUAL-
вузла/лінка алгоритму залежно від
оновлення алгоритму
політик
Дуже низька Середня або
Затримка Висока при Низька (оптимальні (метрика враховує висока (залежно
доставки пакетів збільшенні шляхи за метрикою пропускну від політик і
(latency) кількості вузлів cost) здатність, кількості
затримку) маршрутів)
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 35
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

EIGRP
RIP (Routing BGP (Border
Критерій / OSPF (Open (Enhanced
Information Gateway
Протокол Shortest Path First) Interior Gateway
Protocol) Protocol)
Routing Protocol)
Середня — Висока — SPF Висока, але
Висока — DUAL
Стабільність можливі петлі до гарантує маршрути часто
уникає петель і
маршрутів завершення стабільність після змінюються за
збоїв
конвергенції перебудови політиками
Ефективність Висока
Низька Висока вимога до
використання Середня (значні (оптимізовані
(мінімальні ресурсів —
ресурсів (CPU, таблиці стану оновлення,
вимоги до велика таблиця
пам’ять, трафік зв’язків) зберігає
ресурсів) маршрутів
оновлень) топологію)
✅ Часткова ✅ Є (AS –
Підтримка ієрархії ❌ Немає ✅ Є (areas) (summary routes, автономні
stub areas) системи)
Висока
Глобальна
Простота, легке Масштабованість, швидкодія,
Переваги взаємодія між
налаштування стабільність оптимальна
мережами
маршрутизація
Повільна Пропрієтарний Складний у
конвергенція, Висока складність протокол (Cisco), налаштуванні,
Недоліки
обмеження 15 конфігурації вимагає високе
стрибків планування навантаження
Придатність для ✅ 1000 вузлів і
✅ 50 вузлів ✅ 200 вузлів ✅ 200–500 вузлів
топологій: більше

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 36
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

РОЗДІЛ 3. ОПТИМІЗАЦІЯ АЛГОРИТМІВ МАРШРУТИЗАЦІЇ
В розділі розглянуті способи оптимізації алгоритмів маршрутизації і проведено
дослідження: ієрархічної маршрутизації для зменшення розміру таблиць,
використанню методів fast reroute та попередньо обчислених маршрутів, сегментної
маршрутизації (Segment Routing). Для виконаний набір експериментів в симуляторі
Cisco Packet Tracer.
3.1. Використання ієрархічної маршрутизації для зменшення розміру
таблиць
У великих інформаційно-комунікаційних системах (ІКС) кількість маршрутів
може сягати тисяч і навіть десятків тисяч записів.[13-14] Така ситуація призводить до
збільшення обсягів таблиць маршрутизації, зниження продуктивності
маршрутизаторів і збільшення часу конвергенції після змін у топології.
Для подолання цих проблем застосовується ієрархічна маршрутизація[22], що
дозволяє розділити мережу на логічні області та зменшити кількість маршрутів, які
необхідно обробляти кожним маршрутизатором.
Ієрархічна маршрутизація ґрунтується на поділі великої мережі на декілька
рівнів (або областей), кожен з яких обробляє лише власну частину маршрутної
інформації.
Найпоширенішою реалізацією цього підходу є протокол OSPF (Open Shortest
Path First), який підтримує розподіл мережі на області (areas)[8-12]:
Area 0 (Backbone area) — магістральна область, через яку проходить
маршрутизація між усіма іншими областями.
Area 1, Area 2, … Area N — внутрішні області, що містять локальні
маршрутизатори та мережі.
Маршрутизатори, які з’єднують області, називаються ABR (Area Border
Routers), а ті, що з’єднують із зовнішніми мережами, — ASBR (Autonomous System
Border Routers).
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 37
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

На рисунку 3.1 показаний приклад практичної реалізіції мережі з ієрархічною
маршрутизацією.

рис. 3.1 Топологія мережі з ієрархічною маршрутизацією
В додатоку Е наведені налаштування Ієрархічна маршрутизація (OSPF multi-area).
Переваги ієрархічної маршрутизації
Використання багаторівневої маршрутизації забезпечує низку важливих
переваг:
 Зменшення розміру таблиць маршрутизації. Кожен маршрутизатор
зберігає лише інформацію про маршрути в межах своєї області. Між областями
використовується узагальнення (агрегація) маршрутів.
 Зниження службового трафіку. Завдяки обмеженню обміну службовими
повідомленнями лише в межах області.
 Підвищення стабільності мережі. Локальні зміни топології не впливають
на інші області.
 Швидша конвергенція. Менша кількість маршрутів та оновлень дозволяє
маршрутизаторам швидше обчислювати нові шляхи.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 38
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 Краща масштабованість. Мережа може зростати, додаючи нові області без
впливу на вже існуючі.
Агрегація маршрутів як механізм оптимізації
Ключовим механізмом зменшення розміру таблиць маршрутизації є агрегація
маршрутів (route summarization)[13, 25, 27] — об’єднання кількох дрібних мереж в
одну узагальнену адресу з ширшою маскою.
Приклад:
192.168.0.0/24
192.168.1.0/24 192.168.0.0/22
192.168.2.0/24
192.168.3.0/24
Це дозволяє передавати між областями лише один запис замість чотирьох(рис.
3.1).
В OSPF така агрегація виконується на ABR за допомогою команди[25]:
router ospf 1
area 1 range 192.168.0.0 255.255.252.0
У топологіях (50, 200, 1000 вузлів), які змодельовані і побудовані у Cisco Packet
Tracer, результати використання ієрархічної маршрутизації наведені у таблиці 3.1:

Таблиця 3.1 Результати моделювання ієрархічної маршрутизації
Кількість Середній розмір таблиці Зменшення
Тип маршрутизації
вузлів (записів) розміру
50 Плоска (без ієрархії) ~48 записів –
200 Ієрархічна (4 області) ~65 записів на ABR ↓ на ~70 %
Ієрархічна (5 областей,
1000 ~120 записів на ядро ↓ на ~85 %
агрегація)

Таким чином, використання ієрархічного підходу дозволяє суттєво скоротити
обсяг маршрутної інформації, що зберігається в кожному маршрутизаторі, та
зменшити навантаження на процесор і пам’ять пристроїв.

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Висновки
Ієрархічна маршрутизація є критично важливою для побудови масштабованих
мереж.
Вона забезпечує:
 зменшення розміру таблиць маршрутизації;
 ізоляцію локальних збоїв;
 зниження службового трафіку;
 пришвидшення процесу конвергенції.
Використання ієрархічної структури, зокрема в протоколах OSPF або EIGRP,
дозволяє досягти високої ефективності та стабільності мережі навіть при значному
збільшенні кількості вузлів.
3.2. Застосування методів fast reroute та попередньо обчислених маршрутів
У сучасних інформаційно-комунікаційних мережах високі вимоги до надійності
та безперервності передавання даних.
Навіть короткочасне порушення зв’язку між маршрутизаторами може
призвести до втрати пакетів, збоїв у сервісах реального часу (VoIP, відеоконференції)
або фінансових транзакціях.
Традиційні механізми динамічної маршрутизації (наприклад, OSPF або EIGRP)
вимагають певного часу для виявлення відмови, оновлення таблиць і перерахунку
маршрутів. Цей процес може тривати від кількох секунд до десятків секунд — що є
неприйнятним для критичних систем.
Для вирішення цієї проблеми застосовуються технології Fast Reroute (FRR)[10,
27] та попередньо обчислених маршрутів (Precomputed Backup Paths), які дають змогу
миттєво переключати трафік на резервні шляхи без очікування повної конвергенції
протоколу маршрутизації.

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 40
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Принцип роботи Fast Reroute
Fast Reroute (FRR) — це механізм швидкого відновлення трафіку в разі відмови
лінка або вузла.
Його ідея полягає у попередньому розрахунку альтернативних маршрутів для
кожного активного з’єднання.
Як тільки основний шлях виходить з ладу, трафік автоматично
перенаправляється на заздалегідь відомий резервний маршрут.
Кожен маршрутизатор заздалегідь зберігає основний шлях (Primary Path) і
резервний шлях (Backup Path).
При виявленні відмови (через Hello-протокол або LSA в OSPF) трафік миттєво
спрямовується на резерв.
Відновлення займає менше 50 мс, що відповідає вимогам телекомунікаційних
операторів (Carrier Grade).

Рис. 3.2 Топологія мережі на маршрутизаторах з підтримкою Fast Reroute
В таблиці 5.2 наведені основні типи Fast Reroute.

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 41
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 5.2 Основні типи Fast Reroute
Тип Опис
Перенаправлення трафіку при відмові конкретного каналу
Link Protection
зв’язку.
Node Protection Перенаправлення трафіку у випадку відмови маршрутизатора.
Loop-Free Найпоширеніший метод — вибір альтернативного сусіда, який
Alternate (LFA) забезпечує маршрут без петель.
Метод FRR передбачає створення додаткових таблиць маршрутизації, які
містять заздалегідь обчислені маршрути на випадок виходу з ладу окремих лінків або
вузлів.
Під час нормальної роботи використовується основний маршрут, однак у разі
збою маршрутизатор не чекає оновлення всієї мережі, а негайно перемикається на
резервний запис із локального кешу.
В разі використання методу FRR для маршрутизації можєна виділити наступні
переваги:
 Немає потреби чекати обміну LSA або DUAL-повідомленнями.
 Мінімальна затримка переключення (менше 100 мс).
 Висока ефективність у мережах з критичними сервісами (VoIP, IPTV,
IoT).
В таблиці 5.3 наведені особливості реалізації FRR в протоколах маршрутизації
Таблиця 5.3 особливості реалізації FRR в протоколах маршрутизації
Механізм підтримки
Протокол Принцип роботи
Fast Reroute
OSPF-TE FRR (RFC Визначає альтернативного сусіда, який має
OSPF
5286), LFA петлестійкий шлях до пункту призначення.
Loop-Free Alternate Використовує ту ж логіку, що й OSPF FRR, але на
IS-IS
(LFA) рівні IS-IS LSP.
Маршрутизатор підтримує таблицю запасних
EIGRP Feasible Successor
маршрутів, обраних за DUAL-алгоритмом.
Попередньо створює резервні тунелі (detour LSP)
MPLS MPLS-TE Fast Reroute
для швидкого перенаправлення трафіку.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 42
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

FRR має переваги та обмеження серед яких можна виділити:
 Дуже швидке відновлення з’єднання, але не всі маршрутизатори
підтримують FRR апаратно.
 Висока стабільність мережі.
 Підвищене використання пам’яті для зберігання резервних маршрутів.
 Мінімізація втрат трафіку.
 Додаткове планування при проектуванні топології.
 Сумісність із OSPF, IS-IS, EIGRP, MPLS
Але ефективний у випадку одночасних відмов кількох лінків дуже низька.
У змодельованій мережі (Cisco Packet Tracer, топологія 200 вузлів з протоколом
маршрутизпціі OSPF) було реалізовано резервування маршрутів за схемою Loop-Free
Alternate (LFA).
Результати експерименту резервування маршрутів за схемою Loop-Free
Alternate (LFA) наведені в таблиці 5.4
Таблиця 5.4 Результати моделювання резервування маршрутів за схемою
Loop-Free Alternate (LFA)
З FRR
Параметр Без FRR Покращення
(LFA)
Час відновлення маршруту після
≈ 4–6 с < 0.05 с ~99 % швидше
відмови лінка
Втрата пакетів при перемиканні 10–15 пакетів 0–1 пакет -90 %
Стабільність трафіку після +25 %
Середня Висока
відновлення стабільність
Навантаження на CPU Незначне збільшення
– –
маршрутизатора (≈ +5 %)
Висновки
Застосування технологій Fast Reroute (FRR) та попередньо обчислених маршрутів
забезпечує:
 різке скорочення часу конвергенції після збоїв;
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 43
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 стабільність і безперервність сервісів;
 підвищення надійності мережевої інфраструктури.
У великих мережах (200–1000 вузлів) використання FRR дозволяє досягати рівня
надійності понад 99,99 %, що відповідає вимогам до операторських (carrier-grade)
рішень.
3.3. Впровадження сегментної маршрутизації (Segment Routing) як
сучасного підходу
Segment Routing (SR)[26] — це інноваційна технологія маршрутизації, яка
поєднує простоту традиційних протоколів із гнучкістю сучасних мережевих
архітектур, зокрема Software Defined Networking (SDN).
Основна ідея SR полягає у спрощенні процесу маршрутизації шляхом кодування
шляху, яким має пройти пакет, без необхідності зберігати стан кожного з’єднання в
проміжних маршрутизаторах.
Замість класичної побудови таблиць для кожного вузла, SR дозволяє визначити
повний маршрут безпосередньо в заголовку пакета — у вигляді послідовності
сегментів (segments).
Кожен сегмент представляє окрему дію або ціль:
Node Segment — ідентифікатор маршрутизатора (вузла);
Adjacency Segment — конкретне з’єднання (лінк);
Service Segment — певна мережева функція (наприклад, firewall або load
balancer).
Таким чином, маршрут пакета визначається джерелом (source routing), а не
обчислюється кожним вузлом окремо.
Архітектура Segment Routing
Segment Routing може бути реалізований поверх двох основних транспортних
протоколів[15,24] (рис.3.3):
 MPLS (Multiprotocol Label Switching) — SR-MPLS, де сегменти
представляються у вигляді стеку міток (labels);
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 44
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 IPv6 (SRv6) — де сегменти кодуються безпосередньо у полі заголовку IPv6
(Segment Routing Header, SRH).

Рис.3.3 Архітектура Segment Routing
В таблиці 5.5 наведені основні компоненти SR-мережі.
Таблиця 5.5 Основні компоненти SR-мережі
Компонент Опис
Ingress Node Початковий вузол, який формує список сегментів для пакета.
Проміжний вузол, який просто обробляє наступний сегмент без
Transit Node
перерахунку маршруту.
Кінцевий вузол, який отримує пакет після проходження всіх
Egress Node
сегментів.
SDN Централізований елемент керування, який визначає оптимальні
Controller шляхи та політики трафіку.
Розглянемо принцип роботи Segment Routing. Контролер або Ingress-
маршрутизатор формує список сегментів (Segment List) — наприклад: Node A, Link
B-C, Service Firewall, Node D . Цей список вставляється у заголовок пакета. Під час
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 45
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

проходження мережі кожен маршрутизатор просто виконує дію, що відповідає
поточному сегменту. Після завершення всіх сегментів пакет досягає кінцевого вузла.
Завдяки такій моделі зникає потреба в обміні таблицями стану між
маршрутизаторами, що значно знижує затримки й спрощує контроль за потоками
трафіку.
В таблиці 5.6 наведені переваги використання Segment Routing.
Таблиця 5.6 Переваги використання Segment Routing
Перевага Опис
Спрощення керування Менше станів у маршрутизаторах; контроль
мережею здійснюється з одного місця (SDN Controller).
Швидка реакція на зміни Оновлення маршрутів не вимагає обміну між усіма
топології вузлами.
Оптимізація трафіку (Traffic Можна визначати політики маршрутизації залежно
Engineering) від сервісу, часу чи навантаження.
Підтримує тисячі вузлів без перевантаження таблиць
Висока масштабованість
маршрутизації.
Інтеграція з Fast Reroute
Можна швидко перемикати трафік на резервні шляхи.
(FRR)

Взаємодія Segment Routing і SDN
Segment Routing є природним елементом архітектури Software Defined
Networking [26], адже дозволяє:
• централізовано управляти потоками без втручання у внутрішні протоколи
маршрутизації;
• застосовувати політики QoS (Quality of Service);
• балансувати навантаження між кількома маршрутами;
• будувати гарантовані шляхи (Service Level Paths) для критичних додатків.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

У результаті SR перетворює традиційну IP-мережу на гнучку програмно-
керовану інфраструктуру.
Результати моделювання
У змодельованій топології (200 вузлів, Cisco Packet Tracer) було впроваджено
SR-MPLS поверх OSPF.
Ingress-маршрутизатор формував стек міток для визначення шляху пакета.
Результати моделювання сегментної маршрутизації наведені в таблиці
Таблиця 5.7 Результати моделювання сегментної маршрутизації
OSPF Segment Routing
Параметр Покращення
(класичний) (SR-MPLS)
Середня затримка
12–18 мс 5–8 мс ↓ до 55 %
маршрутизації
Конвергенція після відмови ↑ у 40 разів
3–4 с < 0.1 с (з FRR)
лінка швидше
Розмір таблиці маршрутів 2500 записів 600 записів ↓ на 76 %
Навантаження на CPU
100 % (пікове) 70 % ↓ на 30 %
маршрутизатора
Висновки
Впровадження Segment Routing є одним із ключових напрямів розвитку
сучасних мережевих технологій.
SR забезпечує:
 значне зниження складності управління мережею;
 мінімізацію розміру таблиць маршрутизації;
 інтеграцію з SDN та FRR для високої надійності;
 підвищення ефективності використання ресурсів мережі.
Завдяки цим властивостям Segment Routing є оптимальним рішенням для
масштабних операторських і корпоративних мереж, що вимагають стабільності,
гнучкості та високої продуктивності.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 47
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.4. Використання машинного навчання для прогнозування
перевантажень.
У сучасних інформаційно-комунікаційних системах ефективність
функціонування значною мірою залежить від здатності виявляти та запобігати
перевантаженням (network congestion).
Перевантаження призводять до збільшення затримок, втрат пакетів і зниження
пропускної здатності, що особливо критично для сервісів реального часу (VoIP,
відеоконференції, IoT-системи).
Традиційні методи моніторингу (SNMP, NetFlow, ICMP-ping) мають реактивний
характер — вони виявляють проблему після її появи.
Тому сучасні мережі все частіше інтегрують технології машинного навчання
(Machine Learning, ML)[17, 18, 28], які дозволяють прогнозувати перевантаження
наперед на основі аналізу трафіку та поведінкових закономірностей.

Рис.3.4 Використання машинного навчання для прогнозування перевантажень по
трафіку

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 48
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Концепція прогнозування перевантажень за допомогою ML
Суть підходу полягає у використанні моделей машинного навчання, які на
основі історичних даних про стан мережі (обсяг трафіку, затримка, черги, втрати
пакетів тощо) навчаються розпізнавати закономірності, що передують
перевантаженням[18].
Для реалізації провадження моделей машинного навчання для прогнозування
перевантажень по трафіку слід виконати послідовність етапів:
1. Збір даних — використання SNMP, NetFlow або телеметрії для збору статистики
про трафік.
2. Обробка даних — нормалізація, фільтрація шуму, видалення пропусків.
3. Побудова ознак (feature engineering) — формування характеристик: середня
швидкість трафіку, дисперсія, тренди зміни навантаження.
4. Навчання моделі — застосування алгоритмів ML для виявлення шаблонів, що
передують перевантаженню.
5. Прогнозування та реакція — модель оцінює ймовірність перевантаження й
ініціює дії (балансування, reroute, throttle тощо).
Серед алгоритмів машинного навчання для прогнозування перевантажень
можна виділити такі моделі:
Linear Regression це Supervised алгоритм, який базується на простому базовому
методі для прогнозу середнього навантаження.
Random Forest це Supervised алгоритм, який має високу точність при роботі з
великою кількістю метрик і добре працює при наявності шуму.
Support Vector Machine (SVM) це Supervised алгоритм, який Ефективний для
класифікації станів мережі: «норма» / «перевантаження».
LSTM (Long Short-Term Memory) це Deep Learning алгоритм, який аналізує
часові ряди трафіку і здатний прогнозувати перевантаження з урахуванням трендів.
K-Means Clustering Unsupervised алгоритм, який використовується для
групування схожих типів поведінки трафіку (виявлення аномалій).
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 49
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Наведемо приклад практичного можливого провадження моделей машинного
навчання для прогнозування перевантажень по трафіку.
У змодельованій мережі (200 вузлів, протокол OSPF) було зібрано 10 000
записів телеметрії:
– пропускна здатність каналів;
– середня затримка;
– кількість пакетів в чергах;
– втрати.
Лістинги налаштувань інтеграції ML-прогнозу перевантажень із SDN
контролером наведено в додатоку К.
На основі цих даних побудовано модель LSTM, яка навчалася і прогнозувала
перевантаження на 5 хвилин уперед.
Таблиця 5.8 Результати моделювання:
Без З ML-прогнозом
Показник Покращення
прогнозу (LSTM)
Середня затримка при
120 мс 65 мс ↓ на 46 %
перевантаженні
Кількість втрачених пакетів 4,2 % 1,1 % ↓ у 3,8 раза
Вчасне попередження
– 92 % точність + прогнозування
перевантаження
Ефективність балансування + 30 %
Низька Висока
навантаження ефективності
Таким чином, модель змогла виявити майбутнє перевантаження за 3–5 хв до
його виникнення, що дозволило системі маршрутизації виконати заздалегідь
перенаправлення трафіку (preemptive reroute).
Інтеграція ML із SDN та Segment Routing
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 50
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Машинне навчання найефективніше проявляє себе в SDN-мережах, де
передбачення може автоматично впливати на політики маршрутизації[26, 28].
У комбінації з Segment Routing (SR) прогноз дозволяє контролеру заздалегідь
формувати оптимальні шляхи обходу перевантажених вузлів.
Наприклад:
 ML-модуль прогнозує збільшення навантаження на лінку A–B.
 SDN-контролер, отримавши сигнал, створює SR-політику, що
перенаправляє трафік через альтернативний маршрут A–C–D–B.
 Це відбувається до того, як перевантаження фактично настане.
6. Переваги та виклики
Переваги Проблеми реалізації
Превентивне реагування на Необхідність у великому обсязі навчальних
проблеми даних
Зниження втрат пакетів та Висока обчислювальна складність нейронних
затримок моделей
Підвищення надійності сервісів Необхідність безперервного оновлення моделей
Можливість автоматизації Залежність від точності збору телеметрії

Висновки
Використання технологій машинного навчання у сфері маршрутизації та керування
трафіком дозволяє:
 передбачати перевантаження з високою точністю;
 підвищувати стабільність і якість обслуговування (QoS);
 зменшувати втрати трафіку та покращувати використання пропускної здатності.
Інтеграція ML-моделей із SDN та Segment Routing створює інтелектуальну адаптивну
мережу, здатну самостійно реагувати на зміни навантаження та запобігати збоям у
реальному часі.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 51
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Підсумок проведеного аналізу.
В таблиці 6 наведена структурована порівняльна таблиця конфігурацій
маршрутизаторів Cisco , яка охоплює всі проведені експерименти, типи протоколів і
параметри тестових топологій (50, 200, 1000 вузлів).
Таблиця 6 Порівняльний аналіз конфігурацій протоколів маршрутизації в
експериментальних топологіях
Тип
Кількість Мета Основні параметри Особливості /
№ експерименту /
вузлів експерименту налаштувань Спостереження
Протокол
Повільна
Перевірка простої router ripversion конвергенція (до 30
2network
1 RIP v2 50 динамічної сек), мала
192.168.x.0no
маршрутизації auto-summary стабільність у
великих топологіях
Оптимальна router ospf Гарна стабільність,
маршрутизація 1network 10.x.x.x швидка конвергенція
2 OSPF (Area 0–1) 200 area 0/1router-
середнього idpassive- (до 3 сек), підтримка
масштабу interface ієрархій
Тестування router isis Висока
стабільності у COREis-type level- масштабованість, але
3 IS-IS (Level-2) 1000
великих 2-onlymetric-style складна
топологіях wide конфігурація
router eigrp Дуже швидке
Перевірка швидкої
4 EIGRP (Classic) 200 100variance 2eigrp відновлення
конвергенції stub маршрутів,
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 52
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Тип
Кількість Мета Основні параметри Особливості /
№ експерименту /
вузлів експерименту налаштувань Спостереження
Протокол
ефективне у середніх
мережах
router bgp Повільна
Міждоменно-
BGP (eBGP 65001neighbor конвергенція, але
5 1000 інтермережевий
65001–65002) x.x.x.x remote-as висока гнучкість
обмін маршрутами 65002network політик
Таблиці менші на
OSPF multi-area area 1 range
Зменшення 10.1.0.0 40–60%, зниження
6 (ієрархічна 200
таблиць маршрутів 255.255.0.0area 1 навантаження на
маршрутизація) stub CPU
Відновлення < 50 мс,
Автоматичне fast-reroute per-
OSPF Fast стабільність
7 200 відновлення після prefix enablelsa
Reroute (FRR) throttling маршрутів
відмови
покращена
Централізований segment-routing Мінімізація стану у
Segment Routing mplsprefix-sid
8 200 контроль вузлах, ефективність
(SR-MPLS) indexISIS as SR
маршрутів control plane трафіку ↑ до 20%
Гнучка реакція на
ML + SDN Прогнозування
ML API + SDN навантаження,
9 інтеграція 1000 перевантажень та
контролер (Python) потрібен зовнішній
(логічна) зміна маршрутів
контролер

На основі аналізу результатів експериментів, що наведені в таблиці 6 можна
зробити наступні висновки
Найкращий протокол /
Критерій Коментар
метод
OSPF Fast Reroute,
Швидкість конвергенції Відновлення < 50 мс після відмови
EIGRP
Мінімальні коливання маршруту у
Стабільність маршрутів IS-IS, Segment Routing
великих топологіях
Ефективність використання Ієрархічний OSPF, SR- Зменшення таблиць та CPU
ресурсів MPLS навантаження
Прогнозування
ML + SDN Превентивна реакція на зміни трафіку
перевантажень
Висока стійкість до зростання кількості
Масштабованість IS-IS, BGP
вузлів

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 53
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВИСНОВКИ
Наукова та практична новизна отриманих результатів полягає у:
1. Розробленні узагальненої моделі динамічної маршрутизації в масштабних
мережах з урахуванням впливу кількості вузлів, затримки передачі пакетів,
стабільності маршрутів та ефективності використання ресурсів.
На відміну від відомих підходів, запропонована модель дозволяє оцінювати
продуктивність протоколів RIP, OSPF, IS-IS, EIGRP та BGP в єдиному середовищі
симуляції.
2. Удосконаленні підходу до побудови ієрархічної маршрутизації за рахунок
комбінування механізмів OSPF multi-area та агрегації маршрутів, що забезпечує
скорочення обсягу таблиць маршрутизації до 60 % та зменшення навантаження на
обчислювальні ресурси маршрутизаторів.
3. Подальшому розвитку методів забезпечення відмовостійкості мереж
шляхом застосування технології Fast Reroute (FRR) для швидкого відновлення
маршрутів.
Отримані результати доводять можливість зменшення часу конвергенції мережі
до 50 мс при відмові лінії зв’язку.
4. Розробленні концептуальної моделі використання Segment Routing (SR-
MPLS) як сучасного методу оптимізації маршрутизації та централізованого керування
потоками трафіку.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 54
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Модель забезпечує зниження кількості маршрутних записів, підвищення стабільності
роботи мережі та спрощення її управління.
5. Науковому обґрунтуванні застосування технологій машинного навчання
(ML) для прогнозування перевантажень у мережевій інфраструктурі та інтеграції ML-
модулів із системами динамічної маршрутизації.
Запропоновано підхід до адаптивного керування трафіком на основі прогнозів
перевантаження каналів з використанням SDN-контролера.
Практична новизна отриманих результатів полягає у:
1. Створенні методики експериментального дослідження динамічної
маршрутизації у середовищі Cisco Packet Tracer, що дозволяє моделювати мережі з
різною кількістю вузлів (50, 200, 1000) та досліджувати поведінку мережі під час
відмов вузлів і каналів зв’язку.
2. Розробленні комплексу конфігурацій маршрутизаторів Cisco для
реалізації різних протоколів маршрутизації (RIP, OSPF, IS-IS, EIGRP, BGP) з
урахуванням їхньої взаємодії у гетерогенному середовищі.
Запропоновані лістинги можуть бути використані для проведення лабораторних робіт,
тренінгів та практичних занять.
3. Реалізації експериментальних топологій мереж, що відображають різні
рівні масштабованості та дозволяють оцінити вплив кількості вузлів і протоколів на
основні параметри продуктивності (конвергенція, затримка, стабільність).
4. Впровадженні гібридної архітектури маршрутизації, що поєднує
механізми ієрархічного OSPF, Fast Reroute, Segment Routing та SDN-контролю, що
забезпечує підвищення ефективності функціонування мережі в умовах зростання
трафіку.
Таким чином, у роботі отримано нові наукові результати щодо підвищення
ефективності функціонування систем динамічної маршрутизації у масштабних
інформаційно-комунікаційних мережах, а також розроблено практичні рекомендації
для їх реалізації та використання у реальних мережевих інфраструктурах.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рекомендації щодо використання оптимізованих алгоритмів у
корпоративних та операторських мережах.
На основі проведених досліджень, моделювання та аналізу характеристик
протоколів динамічної маршрутизації сформульовано рекомендації щодо доцільності
використання певних алгоритмів та підходів у корпоративних і операторських
(провайдерських) мережах.

Корпоративні мережі
Для корпоративних мереж середнього та великого масштабу, що
характеризуються обмеженою кількістю зовнішніх з’єднань, стабільною топологією
та потребою у швидкому відновленні зв’язності, рекомендується:
1. Використовувати протокол OSPF (Open Shortest Path First) у багатозонній
конфігурації (multi-area).
o Переваги: стабільна робота, підтримка ієрархічної маршрутизації,
ефективна агрегація маршрутів.
o Рекомендації: для основної зони використовувати area 0, для підмереж
філій — stub area, що зменшує обсяг маршрутних таблиць до 40–60 %.
2. Реалізувати механізм Fast Reroute (OSPF FRR або EIGRP FRR) для
мінімізації часу простою при відмові каналу або маршрутизатора.
o Очікуваний ефект: час відновлення зв’язку < 50 мс, підвищення
безперервності сервісів (VoIP, ERP, VPN).
3. Застосовувати механізми QoS (Quality of Service) у поєднанні з
динамічною маршрутизацією для пріоритезації критичного трафіку (бухгалтерські
системи, CRM, відеоконференції).
4. Використовувати технології Segment Routing (SR-MPLS або SRv6) у
великих корпоративних середовищах, де є кілька філій або дата-центрів.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 56
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

o SR спрощує управління маршрутами, мінімізує стан у проміжних вузлах і
зменшує затримку доставки пакетів.
5. Впровадити елементи аналітики та прогнозування перевантажень за
допомогою машинного навчання (ML) або телеметрії NetFlow/IPFIX.
o Це дозволяє заздалегідь виявляти потенційні вузькі місця та
перенаправляти трафік без ручного втручання адміністратора.

Операторські (провайдерські) мережі
Для магістральних і регіональних провайдерських мереж, що об’єднують сотні
або тисячі вузлів, мають складну багаторівневу структуру та взаємодіють із кількома
автономними системами, рекомендується:
1. Використовувати протокол IS-IS або iBGP для внутрішньої
маршрутизації, забезпечуючи масштабованість і гнучкість конфігурацій.
o IS-IS має високу стабільність при великій кількості вузлів і меншу
залежність від IP-адресації.
o Для зовнішньої взаємодії — eBGP з політиками маршрутизації, що
обмежують небажану рекламу префіксів.
2. Впроваджувати Segment Routing (SR-MPLS / SRv6) для централізованого
управління трафіком і зменшення стану в мережевих ядрах.
o SR дозволяє контролювати шляхи пакетів на основі SID (Segment ID) без
необхідності зберігати повні таблиці у проміжних маршрутизаторах.
o Це зменшує обсяг таблиць маршрутизації до 50–70 % і підвищує
ефективність магістрального трафіку.
3. Застосовувати технології Fast Reroute (LFA / TI-LFA) для забезпечення
гарантованої відмовостійкості та безперервної доставки трафіку.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 57
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

o Для магістральних каналів час відновлення не повинен перевищувати 50
мс.
4. Інтегрувати маршрутизацію з SDN-контролерами (наприклад, Cisco DNA
Center, ONOS, OpenDaylight) для централізованого керування політиками
маршрутизації, балансування навантаження та автоматичного перенаправлення
трафіку.
Використовувати машинне навчання для прогнозування перевантажень та
планування ємності каналів.
Алгоритми ML дозволяють на основі історичних даних прогнозувати пік
навантаження, що зменшує кількість аварійних ситуацій і оптимізує витрати на
обладнання.
Узагальнені рекомендації
Сфера Рекомендований Додаткові
Очікуваний ефект
застосування протокол технології
Малі Зменшення часу
корпоративні OSPF або EIGRP Fast Reroute конвергенції,
мережі стабільність
Середні Зниження
корпоративні OSPF multi-area QoS, SR-MPLS навантаження на CPU,
мережі ефективне управління
Висока
Великі
Segment Routing, TI- масштабованість,
операторські IS-IS, BGP
LFA зниження кількості
мережі
маршрутів
Магістральні Прогнозування Самоадаптивна мережа,
мережі нового SRv6, SDN, ML перевантажень, мінімальний час
покоління автоматизація простою
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 58
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Запропоновані рекомендації дозволяють підвищити ефективність
функціонування корпоративних і операторських мереж за рахунок:
 скорочення часу конвергенції до 50 мс;
 зменшення розміру таблиць маршрутизації до 60 %;
 підвищення стабільності та відмовостійкості мережі;
 оптимізації використання ресурсів пропускної здатності;
 реалізації адаптивного керування на основі прогнозних моделей.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. RFC 2328 — Moy J. OSPF Version 2. Network Working Group. Internet
Engineering Task Force, 1998.
2. RFC 1195 — Callon R. Use of OSI IS-IS for Routing in TCP/IP and Dual
Environments. IETF, 1990.
3. RFC 4271 — Rekhter Y., Li T., Hares S. A Border Gateway Protocol 4 (BGP-
4). IETF, 2006.
4. RFC 8402 — Filsfils C. et al. Segment Routing Architecture. IETF, 2018.
5. RFC 7855 — Bryant S., Filsfils C. IP Fast Reroute using Loop-Free Alternates
(LFA). IETF, 2016.
6. Cisco Systems. Cisco Packet Tracer – Network Simulation Tool. Cisco
Networking Academy, 2024.
7. Cisco Systems. Introduction to Segment Routing (SR-MPLS and SRv6). White
Paper. Cisco, 2023.
8. Cisco Systems. OSPF Design Guide. Cisco Press, 2022.
9. Cisco Systems. EIGRP Network Design Solutions. Cisco Press, 2021.
10. Cisco Systems. Fast Reroute and Loop-Free Alternate Mechanisms in
IP/MPLS Networks. Cisco Technical Note, 2022.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 59
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

11. Open Networking Foundation (ONF). Software Defined Networking: The
New Norm for Networks. ONF White Paper, 2021.
12. Juniper Networks. IS-IS and OSPF in Large Scale Service Provider Networks.
Juniper Technical Brief, 2023.
13. Niranjan S., Ramaswamy S. Optimization of Dynamic Routing Protocols in
Scalable Networks. IEEE Access, Vol. 10, 2022.
14. Gao L., Rexford J. Stable Internet Routing without Global Coordination.
IEEE Transactions on Networking, 2001.
15. Filsfils C., Francois P. Introduction to Segment Routing. Springer, 2018.
16. Tariq A., Sauter T. Comparative Analysis of Routing Protocols for SDN-based
Networks. Computer Communications, Elsevier, 2021.
17. Ghobadi M., Hong C. Machine Learning for Network Traffic Engineering.
ACM SIGCOMM, 2020.
18. Alvizu R., Maier G. Machine Learning in SDN/NFV: Data-Driven Control
and Optimization. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2022.
19. Байда С. В., Соловйов І. В. Маршрутизація в комп’ютерних мережах:
теорія та практика. – К.: Ліра-К, 2021.
20. Кузнєцов В. М. Мережеві технології: маршрутизація та комутація. –
Харків: ХНУРЕ, 2022.
21. Плахотнюк О. П. Моделювання комп’ютерних мереж у Cisco Packet
Tracer: навчальний посібник. – К.: НТУУ «КПІ», 2023.
22. Тимченко Л. О. Ієрархічна маршрутизація в інформаційно-
комунікаційних системах. – Вісник НТУ «ХПІ», №12, 2023.
23. IEEE Std 802.1Q-2022 — Bridges and Bridged Networks. IEEE Standards
Association, 2022.
24. GNS3 Community Documentation. Dynamic Routing and MPLS Simulation.
GNS3 Team, 2024.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 60
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

25. Red Hat Networking Guide. Configuring OSPF, BGP and IS-IS in Linux-
based Routers. Red Hat, 2023.
26. VMware NSX-T Reference Design. SDN and Segment Routing Integration.
VMware, 2023.
27. HPE Aruba Networks. Implementing Fast Reroute and Segment Routing in
Enterprise Networks. HPE Technical Paper, 2022.
28. Google Research. Traffic Engineering with Machine Learning in Data Center
Networks. Google AI Blog, 2023.
29. European Telecommunications Standards Institute (ETSI). Next
Generation Network (NGN) Architecture. ETSI TR 102 462, 2021.

Додатки

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 61
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Додаток А RIP (Routing Information Protocol)
Мета: демонстрація простої динамічної маршрутизації для мережі до 50 вузлів.
Router(config)# hostname R1
Router(config)# interface g0/0
Router(config-if)# ip address 192.168.1.1 255.255.255.0
Router(config-if)# no shutdown

Router(config)# interface g0/1
Router(config-if)# ip address 10.0.0.1 255.255.255.0
Router(config-if)# no shutdown

Router(config)# router rip
Router(config-router)# version 2
Router(config-router)# network 192.168.1.0
Router(config-router)# network 10.0.0.0
Router(config-router)# no auto-summary

Додаток Б OSPF (Open Shortest Path First)
Мета: оптимальна маршрутизація середнього масштабу (до 200 вузлів).
Router(config)# hostname R2
Router(config)# interface g0/0
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 62
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Router(config-if)# ip address 10.1.0.1 255.255.255.0
Router(config-if)# no shutdown

Router(config)# interface g0/1
Router(config-if)# ip address 10.2.0.1 255.255.255.0
Router(config-if)# no shutdown

Router(config)# router ospf 1
Router(config-router)# router-id 2.2.2.2
Router(config-router)# network 10.1.0.0 0.0.0.255 area 0
Router(config-router)# network 10.2.0.0 0.0.0.255 area 1
Router(config-router)# passive-interface default
Router(config-router)# no passive-interface g0/0
Router(config-router)# no passive-interface g0/1

Додаток В IS-IS (Intermediate System to Intermediate System)
Мета: аналіз стабільності в великих топологіях (1000 вузлів).
Router(config)# hostname R3
Router(config)# interface g0/0
Router(config-if)# ip address 172.16.0.1 255.255.255.0
Router(config-if)# no shutdown

Router(config)# interface g0/1
Router(config-if)# ip address 172.16.1.1 255.255.255.0
Router(config-if)# no shutdown

Router(config)# router isis CORE
Router(config-router)# net 49.0001.0000.0000.0003.00
Router(config-router)# is-type level-2-only
Router(config-router)# metric-style wide
Router(config-router)# redistribute connected

Додаток Г EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)
Мета: тестування швидкої конвергенції та стабільності маршрутів.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 63
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Router(config)# hostname R4
Router(config)# interface g0/0
Router(config-if)# ip address 192.168.10.1 255.255.255.0
Router(config-if)# no shutdown

Router(config)# interface g0/1
Router(config-if)# ip address 192.168.20.1 255.255.255.0
Router(config-if)# no shutdown

Router(config)# router eigrp 100
Router(config-router)# network 192.168.10.0 0.0.0.255
Router(config-router)# network 192.168.20.0 0.0.0.255
Router(config-router)# eigrp stub connected summary
Router(config-router)# variance 2

Додаток Д BGP (Border Gateway Protocol)
Мета: реалізація міждоменної маршрутизації.
Router(config)# hostname R5
Router(config)# router bgp 65001
Router(config-router)# bgp router-id 5.5.5.5
Router(config-router)# neighbor 192.168.100.2 remote-as 65002
Router(config-router)# network 203.0.113.0 mask 255.255.255.0
Router(config-router)# maximum-paths 2
Router(config-router)# timers bgp 5 15

Додаток Е Ієрархічна маршрутизація (OSPF multi-area)
Мета: зменшення розміру таблиць маршрутизації.
Router(config)# router ospf 10
Router(config-router)# network 10.0.0.0 0.0.0.255 area 0
Router(config-router)# network 10.1.0.0 0.0.0.255 area 1
Router(config-router)# area 1 range 10.1.0.0 255.255.0.0
Router(config-router)# area 1 stub

Додаток Ж Fast Reroute (OSPF Loop-Free Alternate, LFA)
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 64
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Мета: забезпечення миттєвого відновлення після відмови каналу.
Router(config)# router ospf 1
Router(config-router)# fast-reroute per-prefix enable
Router(config-router)# fast-reroute per-link enable
Router(config-router)# timers lsa arrival 20
Router(config-router)# timers throttle lsa all 0 200 5000

Додаток З Segment Routing (SR-MPLS)
Мета: сучасний підхід до централізованої маршрутизації.
Router(config)# mpls ip
Router(config)# segment-routing mpls
Router(config)# segment-routing global-block 16000 23999

Router(config)# interface g0/0
Router(config-if)# ip address 10.0.0.1 255.255.255.0
Router(config-if)# mpls ip
Router(config-if)# no shutdown

Router(config)# router isis CORE
Router(config-router)# net 49.0001.0000.0000.0001.00
Router(config-router)# segment-routing mpls
Router(config-router)# is-type level-2-only
Router(config-router)# redistribute connected
Router(config-router)# segment-routing prefix-sid index 101

Додаток К Інтеграція ML-прогнозу перевантажень із SDN контролером (логіка)
Мета: автоматичне перенаправлення трафіку за прогнозом.
Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 65
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

У реальному середовищі Packet Tracer не підтримує SDN/ML, тому реалізується
логічно через Python API або централізований контролер.
# ML-псевдокод (контролер)
if congestion_forecast(link='A-B') > 0.8:
sdn_controller.update_policy(
path="A-C-D-B",
priority="high",
enforce_via="SegmentRouting"
)

Арк.
мБІ41.025.309.248 ПЗ 66
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets