Roteamento

Referência:

Slides extraídos do material dos professores Jim Kurose e Keith Ross relativos ao livro “Redes de Computadores e a Internet – Uma abordagem top-down”, segunda e terceira edições

Alterações nos slides, incluindo sequenciamento, textos, figuras e novos slides, foram realizadas conforme necessidade

Funções Da Camada De Rede

Transportar pacotes entre os sistemas finais da rede

A camada de rede deve ter uma entidade em cada sistema final ou roteador da rede

3 funções importantes: Determinação de caminhos:

rota escolhida pelos pacotes entre a origem e o destino. Algoritmos de roteamento

Comutação: mover pacotes entre as portas de entrada e de saída dos roteadores

Estabelecimento de conexão: algumas arquiteturas de rede exigem o estabelecimento de circuitos virtuais antes da transmissão de dados

redeenlacefisica

redeenlacefisica

redeenlacefisica

redeenlacefisica

redeenlacefisica

redeenlacefisica

redeenlacefisica

redeenlacefisica

aplicaçãotransporte

redeenlacefisica

aplicaçãotransporte

redeenlacefisica

Modelo Do Serviço De Rede

Q: como escolher um modelo de serviço para o canal transportando pacotes da origem ao destino?

Banda-passante garantida?

Preservação dos intervalos entre pacotes?

Entrega sem perdas? Entrega em ordem? Realimentação de

informação de congestionamento?

? ??circuito virtual

oudatagrama

Nível mais geralde abstração nacamada de rede

ab

stra

ção d

e s

erv

iço

Circuitos Virtuais (VC)

Estabelecimento da conexão deve proceder o envio de dados. Liberação da conexão após os dados.

Cada pacote transporte um identificador do CV, não transporta o endereço completo do destino

Cada roteador na rota mantém informação de estado para conexão que passa por ele.

A conexão de camada de transporte envolve apenas os sistemas finais

A banda passante e os recursos do roteador podem ser alocados por VC

Controle de Qualidade de Serviço por VC

“A ligação entre a origem e o destino emula uma ligação telefônica” Orientado ao desempenho A rede controla a conexão entre a origem e o destino

Circuitos Virtuais: Sinalização

Usado para estabelecer, manter e encerrar Circuitos Virtuais

Usados em ATM, Frame-Relay e X-25, mas não na Internet

aplicaçãotransporte

redeenlacefisica

aplicaçãotransporte

redeenlacefisica

1. Call Request 2. incoming call

3. Accept call4. Call connected5. Inicia Fluxo de dados 6. Recebe Dados

Redes Datagrama: o modelo da Internet Não existem conexões na camada de transporte Não há informação de estado de conexão nos roteadores

Não existe conexão na camada de rede Pacotes tipicamente transportam o endereço de destino

Pacotes para o mesmo destino podem seguir diferentes rotas

aplicaçãotransporte

redeenlacefisica

aplicaçãotransporte

redeenlacefisica

1. Envia dados 2. Recebe dados

Datagrama versus Circuito Virtual

Internet Dados trocados entre

computadores Serviço elástico, requisitos

de atraso não críticos Sistemas finais inteligentes

Podem adaptar-se, realizar controle e recuperação de erros

A rede é simples, a complexidade fica nas pontas

Muitos tipos de enlaces Características diferentes Difícil obter um serviço

uniforme

ATM Originário da telefonia Conversação humana:

Tempos estritos, exigências de confiabilidade

Necessário para serviço garantido

Sistemas finais “burros” Telefones Complexidade dentro

da rede

Roteamento

Algoritmos de roteamento são descritos por grafos:

Nós do gráfo são roteadores

Arestas do grafo são enlaces Custo do enlace: atraso,

preço ou nível de congestionamento

OBJ: determinar “bons” caminhos (seqüência de roteadores) através

da rede da fonte ao destino.

Protocolo de Roteamento

A

ED

CB

F

2

2

13

1

1

2

53

5

“bons” caminhos: tipicamente corresponde

aos caminhos de menor custo

caminhos redundantes

Classificação dos Algoritmos de RoteamentoInformação global ou

descentralizadaGlobal: Todos os roteadores tem

informações completas da topologia e dos custos dos enlaces

algoritmos “Link state”Descentralizada: Roteadores só conhecem

informações sobre seus vizinhos e os enlaces para eles

Processo de computação interativo, troca de informações com os vizinhos

algoritmos “Distance vector”

Estático ou Dinâmico?Estático: As rotas mudam lentamente

ao longo do tempoDinâmico: As rotas mudam mais

rapidamente Atualizações periódicas Podem responder a

mudanças no custo dos enlaces

Algoritmo Link-state

Algoritmo de Dijkstra’s Topologia de rede e custo dos

enlaces são conhecidos por todos os nós. Implementado via “link

state broadcast” Todos os nós têm a

mesma informação Computa caminhos de menor

custo de um nó (fonte) para todos os outros nós Fornece uma tabela de

roteamento para aquele nó

Convergência: após k iterações, conhece o caminho de menor custo para k destinos.

Notação: C(i,j): custo do enlace do nó

i ao nó j. Custo é infinito se não houver ligação entre i e j

D(v): valor atual do custo do caminho da fonte ao destino V

P(v): nó predecessor ao longo do caminho da fonte ao nó v, isto é, antes do v

N: conjunto de nós cujo caminho de menor custo é definitivamente conhecido

Exemplo: Algoritmo de Dijkstra’s

Passo012345

início NA

ADADE

ADEBADEBC

ADEBCF

D(B),p(B)2,A2,A2,A

D(C),p(C)5,A4,D3,E3,E

D(D),p(D)1,A

D(E),p(E)infinito

2,D

D(F),p(F)infinitoinfinito

4,E4,E4,E

A

ED

CB

F

2

2

13

1

1

2

53

5

Algoritmo “Distance Vector”

Iterativo: Continua até que os nós

não troquem mais informações.

Self-terminating: Não há sinal de parada

Assíncrono: Os nós não precisam

trocar informações simultaneamente!

Distribuído: Cada nós se comunica

apenas com os seus vizinhos, diretamente conectados

Estrutura de Dados da Tabela de Distância

Cada nó tem sua própria tabela Linha para cada possível destino Coluna para cada roteador vizinho Exemplo: no nó X, para destino Y

via vizinho Z:

D (Y,Z)X

distância de X toY, via Z como prox. salto

c(X,Z) + min {D (Y,w)}Z

w

=

=

A Tabela de Distâncias Gera a Tabela de Roteamento

D ()

A

B

C

D

A

1

7

6

4

B

14

8

9

11

D

5

5

4

2

Ecusto através de

dest

ino

A

B

C

D

A,1

D,5

D,4

D,2

Enlace de saída, cost

dest

ino

Tabela de distância Tabela de Roteamento

Roteamento Vetor-Distância: ResumoIterativo, assíncrono:

cada iteração local é causada por:

Mudança de custo dos enlaces locais

Mensagem do vizinho: seu caminho de menor custo para o destino mudou

Distribuído: Cada nó notifica seus

vizinhos apenas quando seu menor custo para algum destino muda Vizinhos notificam seus

vizinhos e assim por diante

espera por mudança no custo dos enlaces locais ou mensagem do vizinho

recalcula tabela de distância

se o caminho de menor custo para algum destino mudou,

notifica vizinhos

Cada nó:

Comparação dos Algoritmos LS e VD

Complexidade LS: com n nós, E links, o(ne)

mensagens enviadas DV: trocas somente entre

vizinhos Tempo de convergência varia

Tempo de convergência LS: algoritmo o(n**2) exige

o(ne) msgs Pode ter oscilações

DV: tempo de convergência varia Podem haver loops de

roteamento Problema da contagem ao

infinito

Robustez: o que acontece se um roteador funciona mal?

Ls: Nós podem advertir custos

incorretos para os enlaces.

Cada nó calcula sua própria tabela de roteamento

Dv: Nó pode advertir

caminhos com custo incorreto

Tabela de cada nó é usada por outros

• Propagação de erros pela rede

Roteamento Hierárquico

Escala: com 50 milhões de destinos:

Não é possível armazenar todos os destinos numa única tabela de rotas!

As mudanças na tabela de rotas irão congestionar os enlaces!

Autonomia Administrativa

Internet = rede de redes Cada administração de

rede pode controlar somente o roteamento na sua própria rede

Problemas do mundo real roteadores não são todos idênticos as redes não são “flat” na prática

Roteamento Hierárquico

Agrega roteadores em regiões, “sistemas autônomos ” (AS)

Roteadores no mesmo AS rodam o mesmo protocolo de roteamento Protocolo de

roteamento “Intra-as” Roteadores em

diferentes AS podem rodar diferentes protocolos de roteamento

Roteadores de interface de um AS

Rodam protocolos de roteamento intra-as com os outros roteadores do AS

Também responsáveis por enviar mensagens para fora do AS Rodam protocolo de

roteamento inter-as com outros rotea-dores de borda

roteadores de borda

Roteamento Intra-as and Inter-as

Roteadores de Borda•realizam roteamento inter-AS entre si

•realizam roteamento intra-AS com outros roteadores do mesmo AS

Roteamento inter-AS, intra-AS no roteador

A.c

Camada de rede

Camada de enlaceCamada fisica

a

b

b

aaC

A

Bd

A.a

A.c

C.bB.a

cb

c

Roteamento Intra-AS e Inter-AS

Host h2

a

b

b

aaC

A

Bd c

A.a

A.c

C.bB.a

cb

Hosth1

roteamento Intra-ASdentro AS A

roteamento Inter-AS entre A e B

roteamento Intra-AS dentro do AS B

A camada de rede da Internet

tabelade rotas

Entidade de rede em roteadores ou hosts:

Prot. de roteamento•escolha de caminhos•RIP, OSPF, BGP

protocolo IP•endereçamento•formato dos datagramas•tratamento de pacotes

protocolo ICMP•aviso de erros•sinalização de rotas

Camada de Transporte: TCP, UDP

Camada de enlace

Camada física

Camada deRede

Endereçamento IP: Introdução

endereço IP: identificador de 32-bits para interfaces de roteadores e hosts

Interface: conexão entre roteador ou host e enlace físico Roteador tem

tipicamente múltiplas interfaces

Hosts podem ter múltiplas interfaces

endereços IP são associados com interfaces, não com o host ou com o roteador

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001

223 1 11

Endereçamento IP Endereço IP:

parte de rede (bits mais significativos)

parte de Host part (bits menos significativos)

O que é uma rede? (na prespectiva do endereço) Interfaces de

dispositivos com a mesma parte de rede no endereço IP

Podem fisicamente se comunicar sem o auxílio de um rotedor

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

rede consistindo de 3 redes IP (para endereços IP começando com 223, os primeiros 24 bits são o endereço derede )

LAN

Endereçamento IPComo encontrar as redes Separe cada interface

de roteadores e hosts Criar ilhas de redes

isoladas Técnica de nuvens

223.1.1.1

223.1.1.3

223.1.1.4

223.1.2.2223.1.2.1

223.1.2.6

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

223.1.1.2

223.1.7.0

223.1.7.1223.1.8.0223.1.8.1

223.1.9.1

223.1.9.2

Sistema com seisredes interconectadas

Endereços IP

0 rede host

10 rede host

110 rede host

1110 multicast address

A

B

C

D

class1.0.0.0 to127.255.255.255

128.0.0.0 to191.255.255.255

192.0.0.0 to223.255.255.255

224.0.0.0 to239.255.255.255

32 bits

endereçamento “class-full”:

Endereçamento IP: CIDR Endereçamento “Classful”:

Uso ineficiente do espaço de endereçamento, exaustão do espaço de endereços

E.G., rede de Classe B aloca endereços para 65K hosts, mesmo se só existem 2000 hosts naquela rede

CIDR: classless interdomain routing A porção de endereço de rede tem tamanho arbitrário Formato do endereço: a.B.C.D/x, onde x é o número de

bits na parte de rede do endereço

11001000 00010111 00010000 00000000

parte derede

parte de host

200.23.16.0/23

Como obter um endereço IP

Hosts : Endereço fixo: definido pelo administrador DHCP: dynamic host configuration protocol: permite

a atribuição dinâmica de endereços IP Host envia (broadcast) mensagem “DHCP discover” DHCP server responde com mensagem “DHCP offer” Host pede endereço IP com mensagem : “DHCP request” DHCP server envia endereço com a mensagem: “DHCP

ack”

Endereçamento Hierárquico: agregação de rotas

200.23.16.0/23

200.23.18.0/23

200.23.30.0/23

Fly-By-Night-ISP

Organização 0

Organização 7Internet

Organização 1

ISPs-R-Us“Me envie qualquer coisa comendereço começando por199.31.0.0/16”

200.23.20.0/23Organização 2

...

...

O endereçamento hierárquico permite uma propagação de rotas mais eficiente:

“Me envie qualquer coisa comendereço começando por200.23.16.0/20”

Roteamento Hierárquico:rotas mais específicas

ISPs-R-Us tem uma rota mais específica para a organização 1

200.23.16.0/23

200.23.18.0/23

200.23.30.0/23

Fly-By-Night-ISP

Organização 0

Organização 7Internet

Organização 1

ISPs-R-Us“Me envie qualquer coisa com endereço começando por199.31.0.0/16 ou 200.23.18.0/23”

200.23.20.0/23Organização 2

...

...

“Me envie qualquer coisa com endereço começando por200.23.16.0/20”

Como obter um endereço IP...

Q: Como o ISP obtém seu bloco de endereço?

A: ICANN: internet corporation for assigned

names and numbers Aloca endereços Gerencia DNS Atribuí nomes de domínios e resolve

disputas

Formato do Datagrama IP

ver lenght

32 bits

data (tamanho variável ,

tipicamente um segmentoTCP ou UDP)

16-bit identifier

Internet checksum

time tolive

32 bit endereço IP de origem

versão do Protocolo IP

tamanho do header (bytes)

número máximo de saltos

(decrementado em cada roteador)

parafragmentação/remontagem

tamanho totaldo datagrama(bytes)

Protocolo da camadasuperior com dados no

datagrama

head.len

type ofservice

Classe de serviço flgsfragment

offsetproto-

col

32 bit endereço IP de destino

Opções (se houver) Ex. timestamp,registro de rotalista de rotea-dores a visitar.

IP Fragmentação e Remontagem enlaces de rede têm MTU

(max.transfer size) - corresponde ao maior frame que pode ser transportado pela camada de enlace.

tipos de enlaces diferentes possuem MTU diferentes (ethernet: 1518 bytes)

datagramas IP grandes devem ser divididos dentro da rede (fragmentados)

um datagrama dá origem a vários datagramas

“remontagem” ocorre apenas no destino final

O cabeçalho IP é usado para identificar e ordenar datagramas relacionados

fragmentaçãoin: um datagrama grandeout: 3 datagramas menores

reassembly

Roteamento na Internet

A Internet consiste de Sistemas Autônomos (AS) interconectados entre si: Stub AS: pequena corporação Multihomed AS: grande corporação (sem tráfego de

trânsito) com mais de uma saída para a Internet Transit AS: provedor

Dois níveis de roteamento: Intra-AS: o administrador é responsável pela definição

do método de roteamento Inter-AS: padrão único (BGP)

Hierarquia de ASRoteador de borda Inter-AS (exterior gateway)

Roteador interno Intra-AS (gateway)

Roteamento Intra-AS

Também conhecido como Interior Gateway Protocols (IGP)

IGPs mais comuns:

RIP: Routing Information Protocol

OSPF: Open Shortest Path First

ISIS: Intermediate System to Intermediate System

RIP ( Routing Information Protocol)

Algoritmo do tipo vetor distância

Incluso na distribuição do BSD-UNIX em 1982

Métrica de distância: # of hops (max = 15 hops) motivo: simplicidade

Vetores de distância: trocados cada 30 sec via Response Message (também chamado advertisement, ou anúncio)

Cada anúncio: indica rotas para até 25 redes de destino

RIP Processamento da tabela de rotas

As tabelas de roteamento do RIP são manipuladas por um processo de aplicação chamado routed (daemon)

anúncios são enviados em pacotes UDP com repetição périódica

OSPF (Open Shortest Path First)

“open”: publicamente disponível

Usa algoritmo do tipo Link State disseminação de pacotes LS Mapa topológico em cada nó usa algoritmo de Dijkstra’s para cálculo de rotas

anúncios do OSPF transportam um registro para cada roteador vizinho

Anúncios são distribuídos para todo o AS (via flooding)

OSPF características avançadas

Segurança: todas as mensagens do OSPF são autenticadas (para previnir intrusão de hackers); usa conexões TCP para as suas mensagens

Múltiplos caminhos de mesmo custo são permitidos (o RIP só permite um caminho para cada destino)

Para cada enlace podem ser calculadas múltiplas métricas uma para cada tipo de serviço (TOS) (ex, custo de enlace por satélite definido baixo para tráfego de “melhor esforço” e alto para serviços de tempo real)

Integra tráfego uni- e multicast : Multicast OSPF (MOSPF) usa a mesma base de dados

topológica do OSPF

Hierarchical OSPF: dois níveis de roteamento para domínios grandes.

OSPF Hierárquico

Inter-AS routing

Internet inter-AS routing: BGP

BGP (Border Gateway Protocol): é o padrão de fato para uso na Internet

Algoritmo Path Vector : similar ao protocolo Distance Vector cada Border Gateway envia em broadcast

aos seus vizinhos (peers) o caminho inteiro (isto é a seqüência de ASs) até o destino

Exemplo: Gateway X deve enviar seu caminho até o destino Z:

Path (X,Z) = X,Y1,Y2,Y3,…,Z

Internet inter-AS routing: BGP

Suponha: roteador X envia seu caminho ao roteador parceiro W

W pode escolher ou não o caminho oferecido por X critérios de escolha: custo, regras (não rotear

através de AS rivais ), prevenção de loops.

Se W seleciona o caminho oferecido por X, então:

Path (W,Z) = w, Path (X,Z) Nota: X pode controlar o tráfego de entrada

controlando as rotas que ele informa aos seus parceiros: ex., se X não quer rotear tráfego para Z, X não

informa nenhuma rota para Z

Internet inter-AS routing: BGP

As mensagens do BGP são trocadas encapsuladas no TCP.

mensagens BGP: OPEN: inicia a conexão TCP com um roteador parceiro e

autentica o transmissor UPDATE: anuncia novo caminho (ou retira um velho) KEEPALIVE mantém a conexão viva em caso de ausência

de atualizações; também reconhece mensagens OPEN NOTIFICATION: reporta erros nas mesnagens anteriores;

também usado para encerrar uma conexão

Porque os protocolos Intra- e Inter-AS são

diferentes ? Políticas: Inter-AS: a administração quer ter controle sobre como seu

tráfego é roteado e sobre quem roteia através da sua rede.

Intra-AS: administração única: as decisões políticas são mais simples

Escalabilidade O roteamento hierárquico poupa espaço da tabela de rotas

e reduz o tráfego de atualização

Performance: Intra-AS: preocupação maior é desempenho

Inter-AS: regras de mercado podem ser mais importantes que desempenho

Enfileiramento na Porta de Entrada

Se a estrutura de comutação for mais lenta que a capacidade combinada das portas de entrada -> pode ocorrer filas nas portas de entrada

Bloqueio Head-of-the-Line (HOL): datagramas enfileirados no início da fila bloqueiam aqueles que estão atrás na fila

atrasos de filas e perdas são provocados pela saturação do buffer de entrada!

Três tipos de estruturas de comutação

Filas na porta de saída

armazenamento quando a taxa de chegada pelo comutador excede a velocidade da linha de saída

filas(atrasos) e perdas são provocados por um overflow do buffer da porta de saída!