Để truyền gói dữ liệu từ máy tính gửi đến máy tính nhận, tầng mạng phải quyết định đường đi hoặc các thiết bị định tuyến mà gói dữ liệu phải đi qua. Dù mạng chuyển mạch gói (các gói tin khác nhau có thể đi theo các tuyến đường khác nhau) hay mạng mạch ảo (tất cả các gói tin được truyền trên cùng một tuyến đường định trước) thì tầng mạng đều phải xác định đường đi cho gói tin. Đây là công việc của các giao thức định tuyến ở tầng mạng.
Để chuyển một gói tin từ nguồn đến đích, trong mỗi thiết bị định tuyến phải tồn tại bảng định tuyến. Có hai cách xây dựng bảng định tuyến, định tuyến tĩnh và định tuyến động. Định tuyến tĩnh chỉ có thể áp dụng cho tuyến đường rất ít thay đổi, trong khi đó định tuyến động phù hợp với các tuyến đường khi lưu lượng mạng hay kiến trúc liên kết mạng bị thay đổi. Trong định tuyến động, một tiến tình định kỳ hoặc theo sự kiện liên tục gửi bản tin về tình trạng của các tuyến mạng.
Trọng tâm của giao thức định tuyến là thuật toán xác định đường đi cho gói tin hay còn gọi là thuật toán tìm đường, thuật toán định tuyến. Mục tiêu của thuật toán định tuyến hết sức đơn giản: với một tập hợp thiết bị định tuyến cùng với liên kết giữa các thiết bị định tuyến, thuật toán định tuyến phải xác định đường đi tốt nhất từ thiết bị nguồn đến thiết bị đích. Đường đi tốt nhất có thể là đường đi có giá nhỏ nhất, tuy nhiên trong thực tế nhiều vấn đề khác đã làm phức tạp hóa các thuật toán này, ví dụ các vấn đề liên quan đến chính sách, giá cả… Ví dụ: thiết bị định tuyến X thuộc tổ chức Y không được chuyến tiếp các gói tin được tạo ra từ mạng của tổ chức Z.
Người ta thường sử dụng lý thuyết đồ thị để áp dụng cho các thuật toán định tuyến. Hình 7.4 biểu diễn và mô hình hóa sơ đồ mạng dưới dạng đồ thị. Ở đây nút của đồ thị thể hiện thiết bị định tuyến, cung trong lý thuyết đồ thị nối các nút thể hiện đường truyền vật lý giữa các thiết bị định tuyến. Cung được đặc trưng bởi đại lượng giá là chi phí của việc gửi gói tin qua thiết bị định tuyến. Giá có thể phản ánh mức tắc nghẽn trên đường truyền (thời gian trễ trung bình) hoặc khoảng cách vật lý giữa hai thiết bị định tuyến. Để đơn giản chúng ta coi mỗi cung trên đồ thị có một giá và không quan tâm đến việc xác định giá đó bằng cách nào.
Hình 7.4 Mô hình mạng dưới dạng đồ thị
Với mô hình đồ thị, vấn đề tìm kiếm tuyến đường từ nguồn đến đích có chi phí thấp nhất yêu cầu xác định chuỗi các cung sao cho:
- Cung đầu tiên trong tuyến đường xuất phát từ nguồn. - Đích của cung cuối cùng trong tuyến đường là đích. - Với mọi i, cung thứ i và i-1 cùng kết nối vào một nút.
Với đường đi có giá nhỏ nhất, tổng chi phí của tất cả các cung trên trên tuyến đường là nhỏ nhất. Chú ý nếu tất cả các cung có giá như nhau thì đường đi có giá nhỏ nhất cũng là đường đi ngắn nhất giữa nguồn và đích. Ví dụ như trong hình 5.4, đường đi có giá nhỏ nhất giữa nút A (nguồn) và nút C (đích) là đường ADEC.
Để tìm đường đi có giá thấp nhất từ A đến F, phần lớn mọi người sẽ lần theo các thiết bị định tuyến từ A đến F qua nhiều con đường (có tất cả 12 tuyến đường khác nhau nối A và F) sau đó so sánh giá của mỗi tuyến đường. Quá trình như vậy chỉ có thể thực hiện được khi có đầy đủ thông tin về tất cả các nút và các cạnh trên đồ thị hay thuật toán đó gọi là thuật toán tìm đường tập trung. Thuật toán định tuyến toàn cục xác định đường đi với giá thấp nhất giữa nguồn và đích bằng cách sử dụng tất cả thông tin về tổng thể mạng. Đầu vào của thuật toán là tất cả các nút, cung và giá của các cung. Rõ ràng thiết bị định tuyến phải bằng một cách nào đó thu được các thông tin này trước khi bước vào giai đoạn tính toán thực sự. Thuật toán có thể được chạy tại một nơi (thuật toán định tuyến tập trung) hoặc chạy tại nhiều nơi. Tuy nhiên điểm phân biệt chính yếu là thuật toán định tuyến toàn cục phải có trước đầy đủ thông tin về đồ thị mạng. Trong thực tế, thuật toán như vậy được gọi là thuật toán trạng thái đường truyền (link state) vì thuật toán phải biết được giá của mỗi liên kết trên mạng.
Trong thuật toán phân tán, xác định đường đi có giá thấp nhất được thực hiện dần dần theo cách thức phân tán. Không nút nào có đầy đủ thông tin về giá của tất cả các liên kết trên mạng. Ban đầu mỗi nút chỉ biết về giá của các cung có nối trực tiếp với nó. Sau đó, thông qua các bước tính toán và trao đổi thông tin với các nút hàng xóm (hai nút được gọi là hàng xóm nếu giữa chúng có một đường kết nối vật lý trực tiếp, trong thuật ngữ đồ thị gọi là hai đỉnh kề nhau), nút dần dần xác định được đường đi có giá nhỏ nhất đến một tập hợp đích nào đó. Thuật
toán này là thuật toán vector khoảng cách (distance vector) vì mỗi nút không biết được đường đi cụ thể đến đích mà chỉ biết đến nút hàng xóm trên đường đến đích và tổng giá của đường đi đến đích.