Aula 20. Roteamento em Redes de Dados. Eytan Modiano MIT

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1 Aula 20 Roteamento em Redes de Dados Eytan Modiano MIT 1

2 Roteamento Deve escolher rotas para vários pares origem, destino (pares O/D) ou para várias sessões. Roteamento datagrama: a rota é escolhida para cada pacote independentemente. Usando roteamento datagrama é fácil utilizar enlaces separados. Roteamento Circuito Virtual: a rota é escolhida de sessão para sessão. Roteamento estático: a rota é escolhida de forma já estabelecida entre pares O/D. 2

3 Roteamento É Um Problema Global Roteamento estático não é desejável. Roteamento datagrama é uma forma natural para dividir o tráfego. Como? 3

4 Roteamento Pelo Menor Caminho Cada enlace tem um custo que reflete: O comprimento do enlace; O atraso no enlace; Congestionamento; $$ custo. Custo pode variar ao longo do tempo. O comprimento de uma rota é a soma dos custos ao alongo da rota. O caminho mais curto é o caminho de comprimento mínimo. Algoritmos do menor caminho (Shortest Path): Bellman-Ford: versões centralizada e distribuída; Algoritmo de Dijkstra; Muitos outros. 4

5 Grafos Dirigidos (dígrafos) Um grafo dirigido (dígrafo) G = (N,A) é um conjunto finito não vazio de N nós e um conjunto de pares de nó ordenados A denominados arcos dirigidos. Caminho Dirigido: (4, 2, 1, 4, 3, 2) Ciclo dirigido: (4, 2, 1, 4) Redes de dados são melhor representadas com dígrafos, embora tipicamente os enlaces tendem a serem bi-direcionais (custo pode diferir em cada direção). Para simplificar utilizaremos enlaces bi-direcionais com mesmo custo nos nossos exemplos. 5

6 Algoritmo Bellman Ford Determine os caminhos mais curtos, a partir de uma dado nó fonte, digamos nó 1, para todos os outros nós. Idéia geral: Primeiro ache o enlace mais curto, Então o shortest path de no máximo dois enlaces etc. Seja dij= se (i,j)não é um arco. Seja Di(h) a distância mais curta de 1 para i usando no máximo h arcos. Di(1) = d1i ; i 1 D1(1) = 0 Di(h+1) = min {j} [Dj(h) + dji] ;i 1 D1(h+1) = 0 Se todos os pesos são positivos, o algoritmo termina em N-1 passos. 6

7 Exemplo Bellman Ford 7

8 Bellman Ford Distribuído Custo do enlace pode variar com o tempo. Mudança nas condições do tráfego. Falhas nos enlaces. Mobilidade. Cada nó mantém sua própria tabela de roteamento. Necessário atualizar a tabela periodicamente para refletir as mudanças na rede. Seja D i a distância mais curta do nó i para o destino. D i = min {j} [Dj + dij]: equação de atualização. Cada nó (i) periodicamente atualiza os valores de D i usando a equação de atualização. Cada nó mantém os valores de dij para os seus vizinhos, como também os valores de D j recebidos de seus vizinhos. Utilizando estes valores calcula D i e envia o novo valor de D i para seus vizinhos. Se não ocorreram mudanças na rede,o algoritmo irá convergir para os caminhos mais curtos no máximo em N passos. 8

9 Reação Lenta a Falhas no Enlace Inicia com D 3 =1 e D 2 =100. Na prática, às vezes os comprimentos dos enlaces mudam. Suponha que o enlace entre 3 e 1 falhe (ou seja, d 31 =infinity). No passo seguinte o nó 2 irá atualizar: D 2 = d 23 +D 3 = 4. Serão necessárias aproximadamente 100 iterações antes que o nó 2 possa convergir para a rota correta para o nó 1. Possíveis soluções: Propagar também as informações de rotas; Esperar antes de rotear novamente para um caminho de custo crescente, O nó próximo ao enlace que falhou deveria anunciar que D=infinito por algum tempo para evitar caminhos fechados. 9

10 Instabilidade Quando as rotas mudam devido às alterações nas condições de tráfego, afetam as cargas nos enlaces, e portanto as rotas podem oscilar. 10

11 Instabilidade Havendo um valor definido independente do fluxo no enlace ajuda a prevenir este problema. Atualizações não síncronas também ajudam. 11

12 Algoritmo de Dijkstra Determine o enlace mais curto a partir de um determinado nó fonte para todos os outros nós. Requer pesos nos arcos (enlaces) não negativos. O algoritmo trabalha em estágios: Estágio k: os k nós mais próximos são determinados; Estágio k+1:a partir dos k nós mais próximos ao nó fonte determinar o nó k+1 mais próximo. Observação importante: O caminho para o nó k+1 mais próximo pode incluir somente os nós que pertencem ao conjunto dos k nós. Seja M o conjunto dos nós já incorporado pelo algoritmo. Inicia com Dn = dsn para todo n (Dn = menor distancia de n para o nó fonte). Repete até que M=N Ache o nó w M que tenha a próxima menor distância para o nó fonte. Adicione w para M. Atualize as distâncias: Dn = min [Dn, Dw + dwn] (para todos os nós n M). Observe que a atualização de Dn precisa ser feita somente para os nós que ainda não estão em M e que atualização requer somente o calculo de uma nova distância indo através do novo nó w que foi adicionado. 12

13 Exemplo Dijkstra 13

14 Implementação do Algoritmo de Dijkstra Versão Centralizada: Um único nó obtém as informações de topologia e calcula as rotas. As rotas podem ser difundidas para o resto da rede. Versão Distribuída: Cada nó i difunde {dij para todo j} para todos os outros nós na rede; todos os outros nós podem então calcular os caminhos mais curtos para cada outro nó. O protocolo Caminho mais curto sem laços (Open Shortest Path First- OSPF) é usado na Internet 14

15 Roteamento na Internet Sistema Autônomo (AS) A Internet é dividida em AS s onde cada um é controlado por uma única autoridade. O protocolo de roteamento é classificado em duas categorias Protocolos Internos - Operam dentro de um AS. Protocolos externos -Operam entre AS s. Protocolos Internos Tipicamente utilizam algoritmos do caminho mais curto. Vetor Distância: Baseado no protocolo de estado do enlace de Bellman-ford distribuído. Baseado no Dijkstra distribuído. 15

16 Protocolos Vetor Distância Baseado no Bellman-Ford distribuído. Nós trocam informações das tabelas de roteamento com seus vizinhos. Exemplos: Routing information protocols (RIP) A métrica usada é contador de saltos (enlaces) (dij=1). As informações de roteamento são trocadas a cada 30 segundos. Interior Gateway Routing Protocol (IGRP) Protocolo proprietário Cisco. A métrica considera a carga. Dij~ 1/(µ λ) (estima ao atraso através do enlace). Atualiza a cada 90 segundos. Tem capacidade de roteamento multi-caminho. 16

17 Protocolos Estado do Enlace Baseado no algoritmo de caminho mais curto de Dijkstra. Elimina laços; Roteadores monitoram o estado de seus enlaces de saída. Roteadores difundem o estado de seus enlaces no AS. Todo nó conhece o estado de todos os enlaces e pode calcular todas as rotas usando o algoritmo de Dijkstra. Nós enviam pacotes para o próximo nó ao longo da rota com o endereço de destino do pacote.o próximo nó irá procurar pelo endereço na tabela de roteamento. Exemplo: Open Shortest Path First (OSPF) de uso comum na Internet. Protocolo de estado do enlace tipicamente gera menos tráfego de controle que aqueles de Vetor distância Link. 17

18 Roteamento Entre-Domínios Usados para rotear pacotes através de diferentes AS s. Opções: Roteamento estático rotas configuradas manualmente. Roteamento Vetor-Distância: Exterior Gateway Protocol (EGP); Border Gateway Protocol (BGP). Problemas Que métrica de custo utilizar para o roteamento Vetor-Distânica Problemas quanto a políticas: O provedor de rede A pode não requerer que pacotes de B sejam roteados através de sua rede ou os provedores de rede podem ter um acordo. Problemas de custo: Provedores de rede podem cobrar uns aos outros para entregar pacotes. 18

19 Pontes, Roteadores & Gateways Uma ponte é usada para conectar vários segmentos de redes locais. Roteamento na camada 2 (Ethernet) Não conhece o endereço Vários níveis de sofisticação: Pontes mais simples somente enviam pacotes; Pontes inteligentes são semelhantes aos roteadores. Um roteador (para rotear os pacotes) usa o endereço de camada de rede. Entre dois Sistemas Autônomos. Usando o mesmo protocolo (por ex.: IP, ATM). Um Gateway conecta duas redes usando diferentes protocolos, Conversão de protocolos. Esta definições são freqüentemente trocadas mas estão evoluindo! 19

20 Pontes, Roteadores & Gateways 20

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