REDES INTEGRADAS DE TELECOMUNICAÇÕES I 2016 / 2017

Transcrição

1 Departamento de Engenharia Eletrotécnica REDES INTEGRADAS DE TELECOMUNICAÇÕES I 206 / 207 Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e Computadores 4º ano 7º semestre º Trabalho Prático: Encaminhamento dinâmico numa rede em malha Luis Bernardo

2 . Objetivos Familiarização com o funcionamento de encaminhadores (routers) numa rede em malha. O trabalho consiste na comunicação entre componentes interligados numa rede em malha. Neste trabalho imagina-se que as estações estão a usar uma rede em malha por cima da rede física Ethernet. O trabalho consiste no desenvolvimento de um programa router que pode comunicar com os routers vizinhos, oferecendo um serviço de encaminhamento baseado no algoritmo de vetor de caminhos, uma variante do algoritmo de vetor de distâncias, com encaminhamento plano e hierárquico. Em sistemas reais, os encaminhadores interligam máquinas pertencentes a várias redes locais. Neste trabalho vai-se simular este ambiente, com algumas simplificações: os routers são também, simultaneamente, os emissores e recetores das mensagens. Ao gerar pacotes a partir dos vários routers para todos os outros routers, o trabalho vai permitir testar o comportamento do serviço de encaminhamento perante modificações na rede. 2. Especificações Cada processo router na rede é identificado por um nome hierárquico: A., A.2, A.3, até A.9 para uma sub-rede A, e o mesmo as outras sub-redes B, C, D, até Z. O endereço da subrede A é A.0 (tem o número de máquina 0). Embora se esteja a usar uma rede Ethernet no Laboratório, de um ponto de vista lógico os routers não podem comunicar diretamente uns com os outros, mas têm um circuito para o fazer. A topologia de cada rede em malha é definida pelo conjunto de relações de vizinhança introduzidas localmente na interface gráfica de cada router. Cada router tem apenas conhecimento dos vizinhos diretos, recebendo informações acerca do resto da rede apenas através do algoritmo de encaminhamento usado vetor de caminhos. A figura em baixo mostra o exemplo de uma rede com 3 sub-redes e 7 routers. A tabela de encaminhamento gerada depende de se usar encaminhamento plano ou encaminhamento hierárquico. Com encaminhamento plano são visíveis na tabela todos os endereços usados. Com encaminhamento hierárquico só são visíveis os detalhes relativos à sub-rede local, existindo apenas um caminho para cada sub-rede externa, para o router mais perto. No caminho, também são omissos detalhes sobre as sub-redes externas. Portanto, os pacotes de encaminhamento e o processamento vão ser diferentes, para os dois casos. A. A.2 B B.4 B Encaminhamento não hierárquico em B.4 Dest Dist Next Path A. 3 A.2 A.2 A. A.2 2 A.2 A.2 B.3 3 B.5 B.5 B.3 B B.5 2 B.5 B.5 C.6 5 C.6 C.6 C.7 3 B.5 B.5 C.7 Encaminhamento hierárquico em B.4 Dest Dist Next Path A.0 2 A.2 A.0 B.3 3 B.5 B.5 B.3 B B.5 2 B.5 B.5 C.0 3 B.5 B.5 C.0 C.6 C.7

3 Os vários processos router de cada máquina comunicam através de sockets datagrama. Um router real monitoriza os vizinhos na rede e troca com eles pacotes de controlo (com as tabelas de encaminhamento) periodicamente, ou em resposta a acontecimentos imprevistos. Nesta simulação, os processos routers simulam este comportamento através de comandos na interface de utilizador. Em termos de comportamento dos processos routers, existe o seguinte cenário: Um router oferece para o utilizador opções de monitorização dos vizinhos: permite acrescentar vizinhos (identificados pelo endereço IP e porto do seu socket); permite mudar a distância a qualquer dos vizinhos; permite desligar uma ligação para um vizinho. Paralelamente, o processo router participa no algoritmo de encaminhamento da classe vetor de caminhos. Na parte obrigatória do trabalho é usada um algoritmo usado no protocolo BGP (Border Gateway Protocol), com a troca de vetores de caminhos conhecidos entre vizinhos e com mecanismos de partilha de caminhas através de reflexão. Periodicamente o processo router desencadeia o envio de pacotes de atualização com a tabela de encaminhamento local, e recalcula a tabela de encaminhamento local. Esta sequência de ações também pode ser desencadeada por uma modificação no estado das ligações da rede. Para facilitar a visualização do estado do router, apresenta-se o conteúdo da tabela de encaminhamento local na interface gráfica. Finalmente, o processo router oferece na sua interface opções de envio e receção de pacotes de dados: permite enviar pacotes de dados para qualquer destino; recebe e reenvia os pacotes de dados para um router vizinho, consoante o conteúdo da tabela de encaminhamento, memorizando no pacote o percurso; recebe os pacotes de dados no router de destino, apresentando a rota completa percorrida pelo pacote desde a origem até ao destino. Notar que neste simulador, tal como num sistema real, a topologia da rede pode ser diferente para cada sentido. Por exemplo, numa linha de acesso a uma rede com um servidor web muito acedido, o tráfego será mais elevado no sentido originado a partir do servidor web. 2.. Configuração da rede Para representar endereços de rede foi criada a classe Address, que suporta a conversão a partir de e para String. class Address: { sequência contígua de } char network; { nome da sub-rede (A-Z)} byte machine; { número de máquina (-9) ou sub-rede (0) } Quando o programa router arranca, não tem nenhum vizinho. Depois, vai ganhar ou perder vizinhos, à medida que o utilizador usa as operações de acrescentar, remover ou modificar distâncias, ou à medida que outros routers se associam a ele. É usado um protocolo para criar e destruir relações de vizinhança entre routers. Quando um utilizador acrescenta um vizinho à lista, o programa envia um pacote HELLO para o endereço IP e porto do vizinho. Quando um programa router recebe um pacote HELLO acrescenta o emissor do pacote à lista de vizinhos, respondendo também com um pacote HELLO, com igual valor de distância. Admite-se que por omissão a distância é igual nos dois sentidos, embora o utilizador possa modificar em qualquer altura a distância em cada sentido. Caso o vizinho não aceite o pacote HELLO por exceder o 3

4 número máximo de vizinhos, deverá terminar a relação de vizinhança enviando um pacote BYE (ver adiante). Pacote HELLO: { sequência contígua de } byte type; { tipo pacote - HELLO = } Address sender; { nome router origem } int distance; { distância ao vizinho } 3 4 type sender distance O pacote HELLO também é usado para comunicar a um vizinho que mudou a distância entre dois routers. A distância é um valor inteiro compreendido entre 0 e 29. A distância 29 é reservada e simboliza a não existência de ligação entre dois routers. Não devem ser usados valores superiores de distância superiores a 29. Quando um router quer terminar uma relação de vizinhança deve enviar um pacote BYE para o vizinho. Tanto o emissor como o recetor da mensagem devem terminar imediatamente o envio de pacotes de anúncio de rotas (ROUTE) para o ex-vizinho. Pacote BYE: { sequência contígua de } byte type; { tipo pacote - BYE = 2 } Address sender; { nome router origem } type 3 sender Durante o trabalho, pretende-se testar o comportamento dos algoritmos de vetores de distâncias com o surgir de novos routers e com o terminar de ligações ou routers. Assim, durante o desenvolvimento do trabalho deve ser testado o comportamento do programa desenvolvido perante estes cenários, pois esse comportamento vai ser avaliado na discussão final Algoritmo de encaminhamento A tarefa mais importante do programa router é o cálculo da tabela de encaminhamento utilizando o algoritmo de vetores de caminhos. A partir do momento em que fica ativo, o programa router deve enviar periodicamente para todos os vizinhos um pacote ROUTE, com as informações contidas na sua tabela de encaminhamento. Se a opção "Send if changes" na janela do programa estiver selecionada, deverá também enviar após uma mudança na topologia na rede (que pode se detetada a partir dos dados recebidos da vizinhança) caso já tenha passado o tempo mínimo entre envio de pacotes ROUTE. Se não tiver passado, o relógio de envio de ROUTE deve ser regulado para que o próximo envio seja feito exatamente quando passar o tempo mínimo entre envios de ROUTE. Antes de cada envio do pacote ROUTE (periódica ou após uma modificação do estado da rede com a opção "Send if changes") deverá recalcular a tabela local de encaminhamento. O router recebe um pacote ROUTE de todos os seus vizinhos e calcula a tabela de 4

5 encaminhamento utilizando o algoritmo descrito para os vetores de distâncias, com e sem encaminhamento hierárquico. Os vetores de caminhos permitem evitar os problemas de contagem para infinito, eliminando facilmente todos os caminhos que passam pelo nó consultando o caminho associado a cada destino. Os routers guardam sempre o pacote ROUTE mais recente de cada vizinho, até um tempo máximo igual ao período de vida do pacote (TTL), definido pelo emissor com sendo igual ao período de envio de pacotes ROUTE mais cinco segundos. Pacote ROUTE: { sequência contígua de } byte type; { tipo pacote - ROUTE = 20 } Address sender; { nome router origem } int TTL; { tempo de vida da informação [s] } int n_entries; { número de entradas na tabela } Entry[] entries; { array com n_entries entradas } class Entry { // Tipo de entrada no array Address dest; { nome de router vizinho } int dist; { distância até router } int n_path; { número de elementos do caminho } Address[] path; { caminho até ao destino } } n_entries*x type sender TTL n_entries dest dist n p..p2 dest dist n p..p2 A parte final do trabalho inclui a implementação do algoritmo de vetores de caminhos com endereços hierárquicos. Como foi mostrado no início da secção 2, com encaminhamento hierárquico todos os endereços de destino de máquinas fora da sub-rede local são convertidos no endereço de rede equivalente. Para além disso, todos os endereços de máquinas externas em path devem ser convertidos em endereços de rede, e os endereços duplicados devem ser removidos. Para simplificar o programa, deverá admitir que as únicas modificações à topologia da rede (aos vizinhos) ocorrem em resultado de modificações na vizinhança controlada pelo utilizador, ou em resultado da receção de pacotes HELLO e BYE. Admita ainda que não há erros na comunicação datagrama na rede local. O algoritmo de vetores de caminhos é uma variante do algoritmo de vetor de distâncias e está descrito no livro recomendado para a disciplina ("Computer Networks 5ª Ed.", de A. S. Tanenbaum e D.J. Wetherall, em Inglês) nas páginas e O encaminhamento hierárquico com endereços hierárquicos está descrito no mesmo livro nas páginas Envio e receção de dados Os programas router também simulam o papel de emissor e recetor de pacotes de dados. Sempre que o utilizador seleciona a opção de enviar dados, o programa deve criar um pacote do tipo DATA, com o valor de path igual ao nome local. Em seguida, o programa deve consultar a tabela de encaminhamento e deve enviar o pacote para o próximo router indicado na tabela, ou retornar o código de erro caso o nome de destino esteja inacessível. Pacote DATA: { sequência contígua de } byte type; { tipo pacote - DATA = 99 } Address sender; { nome router origem } 5

6 Address destination; { nome router destino } short len; { número de bytes de dados } byte[] dados[]; { len bytes de dados } byte numpath; { número de routers percorridos } Address[] path; { sequência de routers percorridos } len numpath type sender destination len dados numpath Router Router numpath Cada router que recebe o pacote acrescenta o seu nome ao campo path do pacote, incrementando o valor de numpath. Caso seja o router de destino de pacote, deve escrever o conteúdo do pacote recebido no écran. Senão, deve consultar a sua tabela de encaminhamento e enviar para o próximo router. Caso o tamanho do percurso percorrido pelo pacote atinja a distância máxima (9), então deve aparecer uma mensagem de erro a sinalizar o facto ao utilizador, e o pacote deve ser tratado como se tivesse atingido o destino. Desta forma, fica-se a saber sempre por onde ela viajou. 2.4 Desenvolvimento do programa Para facilitar o desenvolvimento do programa e tornar possível o desenvolvimento do programa durante as oito horas de aulas de laboratório previstas mais um máximo de oito horas fora das aulas, é fornecido juntamente com o enunciado um embrião de programa router, com a interface gráfica representada abaixo, que já realiza as funcionalidades de gestão de ligações (2.) e parte das funcionalidades de troca de mensagens pedidas (2.3). Cada grupo pode fazer todas as modificações que quiser ao programa base, ou mesmo, desenhar uma interface gráfica de raiz. No entanto, recomenda-se que invistam o tempo na correta realização do algoritmo de encaminhamento. Nome, IP e porto do router Início da aplicação Tabela de vizinhos Enc. hierárquico Dados sobre o vizinho Período envio de ROUTE Controlo dos vizinhos Tabela de encaminhamento Envio de pacotes de dados jtextarea 6

7 O programa fornecido é composto por seis classes: Entry.java (completa) Descritor de elemento no vetor de um pacote ROUTE; Neighbour.java (completa) Descritor de vizinho, usado no controlo de vizinhança e no envio de pacotes; NeighbourList.java (completa) Descritor de lista de vizinhos, usado no controlo de vizinhança e no envio de pacotes para nós vizinhos; Address.java (completa) Endereço, usado para guardar e comunicar endereços; AddressList.java (completa) Descritor de lista de endereços, usado na receção e envio de sequências de endereços; RouteEntry.java (completa) Descritor de elementos da tabela de encaminhamento; Router.java (completa) Classe principal com interface gráfica (herda de JFrame), que faz a gestão de sincronismo dos vários objetos usados. Routing.java (a completar) Classe responsável pelo envio e receção de pacotes ROUTE, pelo cálculo da tabela de encaminhamento, e pelo tratamento dos pacotes DATA; O programa fornecido inclui todos os ficheiros completos exceto a classe Routing, que deve ser completada pelos alunos. A ativação do socket e da thread de receção de dados e a gestão de vizinhança já é feita no programa fornecido. Falta apenas realizar os aspetos relacionados com o algoritmo de encaminhamento (envio e processamento de pacotes ROUTE, cálculo da tabela de encaminhamento) e a consulta da tabela de encaminhamento durante o processamento dos pacotes de dados. A classe routing define um conjunto inicial de variáveis com os dados da interface gráfica, inicializados no construtor da classe: private char local_name; // Local name private neighbourlist neig; // Neighbour list private int period; // Routing update period private int min_interval; // Minimum interval between sends private router win; // Main window private DatagramSocket ds; // Datagram socket private HashMap<String,neighbour> tab; // Tabela Encaminhamento private JTable tabela; // window with routing table A classe router define um conjunto de métodos que permitem saber o estado das check boxes da interface gráfica: public boolean is_sendifchanges(); // React to topology changes Durante o trabalho devem ser definidas ou completados os seguintes métodos da classe routing: /** Construtor da classe routing iniciar variáveis adicionadas */ public routing(address local_name, NeighbourList neig, boolean hierarchical, int period, int min_interval, Router win, DatagramSocket ds, JTable TabObject) { } /** Arranca o relógio que envia periodicamente o pacote ROUTE */ public boolean start_announce_timer() { } /** Pára o relógio que envia periodicamente o pacote ROUTE */ public boolean stop_announce_timer() { } /** Chamada quando a topologia da rede muda */ public void network_changed(boolean neighbor_change) { } 7

8 /** Send local ROUTE to all neighbours */ public boolean send_local_route(){ } /** Descodifica pacotes ROUTE e processa-os. É fornecido o código Que descodifica o pacote. Falta o processamento do pacote. */ public boolean process_route(char sender, DatagramPacket dp, String ip, DataInputStream dis) { } /** Calcula a tabela de encaminhamento */ private synchronized void update_routing_table() { } /** Consulta tabela de encaminhamento e devolve próx. nó para destino dest */ public Address next_hop(address dest) { } Durante o trabalho pode e deve utilizar os métodos que já são disponibilizados pelas várias classes do trabalho, para enviar pacotes para vizinhos (método send_packet da classe Neighbour ou método send_packet da classe NeighbourList), obter um iterador para percorrer todos os vizinhos (método iterator ou values da classe NeighbourList), métodos para testar o tipo de endereço (e.g. se é endereço de rede ou de máquina) na classe Address, métodos para converter endereços de máquina em endereços de rede nas classes Address e AddressList, comparar tabelas de encaminhamento na classe Routing, etc. Desta forma, antes de iniciar o trabalho, o aluno deve ler atentamente todo o código fornecido, de forma a poder tirar total proveito dele. Caso queira testar o programa sem estar ligado a uma rede, deve modificar o método local_ip_address da classe Router, de maneira a usar sempre o endereço de loopback, correndo todos os routers na máquina local. Adicionalmente, os alunos vão poder testar os programas desenvolvidos com uma realização de teste do programa router, apenas disponibilizada no laboratório. 2.5 Metas Uma sequência para o desenvolvimento do programa poderá ser:. programar um temporizador para calcular a tabela e enviar o pacote ROUTE. O temporizador é arrancado no método start_announce_timer (), e terminado no método stop_announce_timer (); 2. programar o método process_route (), guardando o conteúdo do pacote nos objetos da classe 'neighbour' que já existem; 3. programar o método update_routing_table () com a implementação do algoritmo de Bellman-Ford (com vetores de caminhos) para encaminhamento plano; 4. programar o método next_hop () que consulta da tabela de encaminhamento no envio e receção dos dados; 5. programar a reação rápida a modificações da topologia no método network_changed, e em process_route; 6. programar o algoritmo de encaminhamento hierárquico. TODOS os alunos devem concluir a fase 5. No fim da primeira semana devem estar a meio do passo 3. No fim da segunda semana devem ter a fase 4 concluída. No final da terceira semana devem ter concluído a fase 5 e ter iniciado a fase 6. 8

9 Postura dos Alunos Cada grupo deve ter em consideração o seguinte: Não perca tempo com a estética de entrada e saída de dados Programe de acordo com os princípios gerais de uma boa codificação (utilização de indentação, apresentação de comentários, uso de variáveis com nomes conformes às suas funções...) e Proceda de modo a que o trabalho a fazer fique equitativamente distribuído pelos dois membros do grupo. 9