Capítulo 4: Camada de Rede. Modelo de serviço de rede. Circuitos virtuais. Funções da camada de rede. Antônio Abelém

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1 Funções da camada de Capítulo Antônio Abelém 4a- transporta pacote da estação remetente à receptora protocolos da camada de em cada estação, roteador três funções importantes: determinação do caminho: rota seguidapor pacotesdaorigem ao destino. Algoritmos de roteamento comutação: mover pacotes dentro do roteador da entrada à saída apropriada estabelecimento da chamada: algumas arquiteturas de requerem determinar o caminho antes de enviar os dados aplicação transporte aplicação transporte 4a- Modelo de serviço de Circuitos virtuais abstração do serviço Q: Qual é o modelo de serviço para o canal que transporta pacotes do remetente ao receptor? largurade bandagarantida? preservação de temporização entre pacotes (sem jitter)? entrega sem perdas? entrega ordenada? realimentar informação sobre congestionamento ao remetente? A abstração mais importante provida pela camada de :? ou?? datagrama? circuito virtual 4a- caminho da-origem-ao-destino se comporta como um circuito telefônico em termos de desempenho em ações da ao longo do caminho da-origem-ao-destino estabelecimento de cada chamada antes do envio dos dados cada pacote tem ident. de CV (e não endereços origem/dest) cada roteador no caminho da-origem-ao-destino mantém estado para cada conexão que o travessa conexão da camada de transporte só envolve os sistemas terminais recursos de, roteador (banda, buffers) podem ser alocados ao CV para permitir desempenho como de um circuito 4a-4

2 Circuitos virtuais: protocolos de sinalização usados para estabelecer, manter, destruir CV usados em ATM, frame-relay, X.5 não usados na Internet de hoje aplicação transporte 5. começa fluxo de dados 6. dados recebidos 4. conexão completa. chamada aceita. inicia chamada. chegada de chamada aplicação transporte Rede de datagramas: o modelo da Internet não requer estabelecimento de chamada na camada de roteadores: não guardam estado sobre conexões fim a fim não existe o conceito de conexão na camada de pacotes são roteados tipicamente usando endereços de destino pacotes entre o mesmo par origem-destino podem seguir caminhos diferentes aplicação transporte. envia dados. recebe dados aplicação transporte 4a-5 4a-6 Rede de datagramas ou CVs: por quê? Roteamento Internet troca de dados entre computadores serviço elástico, sem reqs. temporais estritos sistemas terminais inteligentes (computadores) podem se adaptar, exercer controle, recuperar de erros núcleo da simples, complexidade na borda muitos tipos de s características diferentes serviço uniforme difícil ATM evoluiu da telefonia conversação humana: temporização estrita, requisitos de confiabilidade requer serviço garantido sistemas terminais burros telefones complexidade dentro da 4a-7 protocolo de roteamento meta: determinar caminho (seqüência de roteadores) bom pela da origem ao destino Abstração de grafo para algoritmos de roteamento: nos do grafo são roteadores arestas do grafo são os s físicos custo do : retardo, financeiro, ou nível de congestionamento A 5 D C E 5 F caminho bom : tipicamente significa caminho de menor custo outras definições são possíveis 4a-8

3 Classificação de Algoritmos de Roteamento Informação global ou descentralizada? lobal: todos roteadores têm info. completa de topologia, custos dos s algoritmos estado de s Descentralizada: roteador conhece vizinhos diretos e custos até eles processo iterativo de cálculo, troca de info. com vizinhos algoritmos vetor de distâncias Estático ou dinâmico? Estático: rotas mudam lentamente com o tempo Dinâmico: rotas mudam mais rapidamente atualização periódica em resposta a mudanças nos custos dos s OSPF e o Algoritmo Estado de Enlaces Cada roteador executa duas tarefas: testa o status de todos os seus roteadores vizinhos e divulga o estado dos s para todos os outros roteadores. Estes pacotes enviados para todos os roteadores, são usados para construir uma base de dados topológica. Cada roteador deve possuir uma base idêntica, e utiliza o algoritmo de Dijkstra (shortest path first - SPF) para calcular as melhores rotas para todos os destinos A informação é retransmitida periodicamente, e depois de mudanças de topologia 4a-9 4a-0 Comportamento ásico Link State Databases (Uma para cada Área) Algoritmo de Dijkstra SPF Tree Tabela de Roteamento Detalhes de Estado de Enlaces Cada roteador usa as informações de estado dos s (link-state) locais e recebidas de roteadores adjacentes para construir uma tabela de rotas que modele a configuração da inter- Informações de estado dos s são armazenadas em uma base de dados de estado de s (L. S. Database). usa-se um protocolo de inundação, que transmite a informação (datada!) aos seus vizinhos, que a retransmitem, e assim sucessivamente, até alcançar a todos os nós. Ao (r)estabelecer conectividade, as partes envolvidas devem comparar os Ds e manter somente a versão mais atual para cada registro. 4a-

4 Um Exemplo N N N H 0 RT9 N9 RT RT RT N RT N4 RT RT N 8 8 RT5 7 6 RT6 Ia Ib 7 5 RT0 N N RT7 N6 N8 4 RT8 N0 N7 9 N N5 Árvore SPF para o Roteador RT6 H N N N RT9 0 RT RT RT N9 N0 N N4 RT RT4 RT Ib 7 Ia 6 N8 RT RT5 RT0 N7 N N RT7 N6 RT8 N4 9 N N5 4a- 4a-4 - RT6 Type Dest Area Path Type Cost Next Hop Adv. Router(s) N N 0 0 RT * N N 0 0 RT * N N 0 7 RT * N N4 0 8 RT * N Ib 0 7 * * N Ia 0 RT0 * N N6 0 8 RT0 * N N7 0 RT0 * N N8 0 0 RT0 * N N9 0 RT0 * N N0 0 RT0 * N N 0 4 RT0 * N H 0 RT0 * ASR RT5 0 6 RT5 * ASR RT7 0 8 RT0 * N N * 0 RT0 RT7 N N * 4 RT5 RT5 N N4 * 4 RT5 RT5 N N5 * 7 RT0 RT7 4a-5 Algoritmo Vetor de Distâncias (ellman-ford) cada roteador sabe o custo dos seus s à seus vizinhos ele mantém uma tabela de rotas, a qual inclui para cada destino conhecido a distância (custo) para alcançá-lo (vetor de distâncias) periodicamente ele envia para seus vizinhos uma cópia da sua tabela de rotas, e recebe cópias das deles. se uma destas tabelas revela uma rota nova, ou uma de menor custo do que uma atual, esta será incorporada na tabela local. 4a-6

5 Rede Exemplo Partida Fria A 4 D 5 E 6 C Vamos supor que o custo de cada seja Inicialmente, cada roteador desconhece seus vizinhos: sua tabela de rotas contêm apenas o próprio nó, com distância 0. Por exemplo, para o nó A temos: Destino Enlace Custo A local 0 nós: A,, C, D e E s:,,, 4, 5 e 6. e o vetor de distâncias é: A=0 4a-7 4a-8 Partida Fria Cada nó enviará sua tabela para seus vizinhos pelos s comuns. Após receber as mensagens de e D, a tabela de A será reformulada: Destino Enlace Custo A local 0 D ou seja, seu vetor de distâncias agora se tornou: A=0, =, D= Partida Fria O processo continua. O resultado final em A é: Destino Enlace Custo A local 0 D C E Existem resultados semelhantes nos demais nós: Os nós descobriram a topologia da 4a-9 4a-0

6 Queda de um Enlace Queda de um Enlace Supomos que, depois de estabilizadas as tabelas, cai o (entre A e ) A D 4 5 E 6 C 4a- As novas tabelas de A e têm custo infinito para as rotas usando o caminho entre eles. Destino Enlace Custo A local 0 infinito D C infinito E infinito Destino Enlace Custo local 0 A infinito D infinito C E 4 4a- Queda de um Enlace Após executar o algoritmo até convergir temos uma nova topologia, com conectividade global Destino Enlace Custo A local 0 D C E Destino Enlace Custo local 0 A 4 D 4 C E 4 4a- (Routing Information Protocol) Utiliza Algoritimo de Vetor de Distância (Distance Vector Protocol) Cada roteador comunica a seus vizinhos que possui rotas para determinados pontos da Inter- Alta carganae grandestabelasde rotas Difundido nos programas routed e gated RIP v não suporta sub- na divulgação

7 Participantes são ativos (divulgam vetores de distância) ou passivos (somente escutam informações de outros roteadores e atualizam tabelas de rotas) Ativos geram broadcast a cada 0s. RIP v usa multicast Roteador mantêm uma rota como válida por 80s Qdo custo é ajustado para 6 e a rota é mantida por mais 0s Não trata da velocidade das rotas Os roteadores RIP são configurados geralmente com custo para entrada em dado => HOP count Máximo hops == 6 == infinito, logo o diâmetro máximo da deve ser de 5 saltos Uma rota é mantida até que uma melhor seja divulgada Se existirem duas rotas para a mesma com o mesmo custo, o roteador RIP mantêm apenas a primeira que aprendeu na Mensagem RIP As mensagens RIP são transportadas via datagramas UDP na porta 50 Cabeçalho IP Cabeçalho UDP Datagrama IP Datagrama UDP Mensagem RIP Rede Rede Rede Rede Rede W M Rede W M Rede W M Rede W M Rede W M Rede W M Rede W M Rede W M Rede W M Rede W M Rede - Rede - -

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10 Rede Rede Rede Rede Rede Rede Rede W M Rede W M Rede W M Rede W M Rede W M Rede - Rede - Rede - Rede - - Rede Rede - Rede - Rede Rede Rede Rede W M Rede W M Rede W M Rede W M Rede W M Rede - Rede - Rede - Rede - - Rede Rede - Rede - Rede Rede Rede Roteamento Hierárquico Roteamento Hierárquico Neste estudo de roteamento fizemos uma idealização: todos os roteadores idênticos não hierarquizada ( flat ) nãoé verdade, na prática escala: com > 00 milhões de destinos: impossível guardar todos destinos na tabela de rotas! troca de tabelas de rotas afogaria os s! autonomia administrativa internet = de s cada admin de pode querer controlar roteamento em sua própria agregar roteadores em regiões, sistemas autônomos (ASs) roteadores no mesmo AS usam o mesmo protocolo de roteamento protocolo de roteamento intra-as roteadores em ASs diferentes podem usar diferentes protocolos de roteamento inter-as roteadores de borda roteadores especiais no AS usam protocolo de roteamento intra-as com todos os demais roteadores no AS também responsáveis por rotear para destinos fora do AS usam protocolo de roteamento inter-as com outros roteadores de borda 4a-9 4a-40

11 Autonomous Systems Tipos de AS A princípio não existe um limite teórico para o tamanho de um AS: pode ser uma simples local pode ser uma corporativa inteira pode ser um conjunto de s de clientes de um provedor de conectividade Internet AS usa um IP - protocolo de roteamento interno - para calcular rotas internas AS usa um EP - protocolo de roteamento externo - para trocar informação sobre rotas com outros ASs 4a-4 AS folha (Stub AS) AS com apenas conexão para outro AS AS com Múltipla Conectividade (Multihomed AS) AS com várias conexões para outros ASs mas que não aceita tráfego não-local Tráfego não-local == Tráfego que não se originou no AS e nem se destina ao AS AS de Trânsito (Transit AS) AS com várias conexões para outros ASs e que aceita tráfego não local, freqüentemente sob certas condições (policy restrictions) 4a-4 Internet Hoje Stub AS Empresa Identificação de AS Stub AS Empresa Provedor Empresa Provedor Número de 6 bits (~64K possíveis) Utilizados no rasil nos provedores principais (com conexão ao exterior) e usuários com Provedor Provedor Transit AS conexões a mais de um AS ASs no rasil: RNP (96), RedeRio (75), Embratel (40), Empresa Empresa Empresa Multi-homed AS Uninet (577), lobalone (6505), Inside (706), Intelig (779)

12 Roteamento Intra-SA e Inter-SA Roteamento Intra-SA e Inter-SA a C C.b b d A A.a a b Roteamento inter-as, intra-as no roteador de borda A.c A.c c.a a c Roteadores de borda: fazem roteamento inter-as entre si fazem roteamento b intra-as com outros roteadores do seu próprio AS camada de camada de camada a C Estação e C.b b A.a roteamento Inter-AS entre A e A.c a d A b c roteamento Intra-AS no AS A.a a c Estação e b roteamento Intra-AS no AS 4a-45 4a-46 Roteamento inter-as na Internet: P P (order ateway Protocol): o padrão de fato Protocolo Vetor de Caminhos : semelhante ao protocolo de Vetor de Distâncias cada order ateway (roteador de fronteira) difunda aos vizinhos (pares) caminho inteiro (i.é., seqüência de ASs) ao destino p.ex., roteador de fronteira X pode enviar seu caminhoaodestino Z: Path (X,Z) = X,Y,Y,Y,,Z Roteamento inter-sa na Internet: P Supomos: roteador X envia seu caminho para roteador W W pode ou não selecionar o caminho oferecido por X razões de custo, políticas (não roteia via o SA de um concorrente), evitar ciclos. Se W seleciona caminho anunciado por X, então: Caminho (W,Z) = W, Caminho (X,Z) Note: X pode controlar tráfego de chegada através do controle dos seus anúncios de rotas aos seus pares: p.ex., se não quero receber tráfego para Z -> não anuncia rotas para Z 4a-47 4a-48

13 Roteamento inter-sa na Internet: P mensagens P trocadas usando TCP. mensagens P: OPEN: abre conexão TCP ao roteador par e autentica remetente UPDATE: anuncia caminho novo (ou retira velho) KEEPALIVE mantém conexão viva na ausência de UPDATES; também reconhece pedido OPEN NOTIFICATION: reporta erros na mensagem anterior; também usada para fechar conexão 4a-49 Por quê tem diferenças entre roteamento Intra- e Inter-SA? Políticas: Inter-SA: administração quer controle sobre como tráfego roteado, quem transita através da sua. Intra-AS: administração única, logo são desnecessárias decisões políticas Escalabilidade: roteamento hierárquico economiza tamanho de tabela de rotas, reduz tráfego de atualização Desempenho: Intra-AS: pode focar em desempenho Inter-AS: políticas podem ser mais importantes do que desempenho 4a-50 A Camada de Rede na Internet Funções da camada de em estações, roteadores: Camada de Protocolos de rot. seleção de rotas RIP, OSPF, P Camada de transporte: TCP, UDP Tabela de rotas Camada de Camada protocolo IP convenções de endereços formato do datagrama convenções de manuseio do pct protocolo ICMP relata erros sinalização de roteadores Endereçamento IP: introdução endereço IP: ident. de -bits para interface de estação, roteador interface: conexão entre estação, roteador e físico roteador típico tem múltiplas interfaces estação pode ter múltiplas interfaces endereço IP associado à interface, não à estação ou roteador = a-5 4a-5

14 Endereçamento IP endereço IP: part de (bits de mais alta ordem) parte de estação (bits de mais baixa ordem) O quêéuma IP? (da perspectiva do endereço IP) interfaces de dispositivos com a mesma parte de nos seus endereços IP podem alcançar um ao outro sem passar por um roteador LAN Esta consiste de s IP (para endereços IP começando com, os primeiros 4 bits são a parte de ) 4a-5 Endereçamento IP Como achar as s? disassociar cada interface do seu roteador, estação criar ilhas de s isoladas Sistema interligado consistindo de seis s a-54 Endereços IP dada a noção de, vamos reexaminar endereços IP: endereçamento baseado em classes : classe A C D 0 estação 0 estação 0 estação 0 endereço multiponto bits to to to to a-55 Endereçamento IP: CIDR Endereçamento baseado em classes: uso ineficiente e esgotamento do espaço de endereços p.ex., da classe aloca endereços para 65K estações, mesmo se houver apenas K estações nessa CIDR: Classless InterDomain Routing parte de do endereço de comprimento arbitrário formato de endereço: a.b.c.d/x, onde x é no. de bits na parte de do endereço parte de parte de estação / 4a-56

15 Endereços IP: como conseguir um? Mensagens DHCP Estações (parte de estação): codificado pelo administrador num arquivo DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: obtém endereço dinamicamente: plug-and-play estação difunde mensagem DHCP discover servidor DHCP responde com DHCP offer estação solicita endereço IP: DHCP request servidor DHCP envia endereço: DHCP ack DHCP DISCOVER - roadcast para localização de servidor DHCP DHCP OFFER - Oferta de endereço IP para um cliente DHCP REQUEST - Requisição do endereço IP oferecido (bcast) DHCP DECLINE - Informa que houve um erro na oferta DHCP ACK - Confirmação do servidor sobre a atribuição do end. DHCP NAK - Negativa de fornecimento do endereço (raro) DHCP RELEASE - Cliente libera o endereço IP utilizado (raro) DHCP INFORM - Cliente que já possui endereço IP pode requisitar outras informações de configuração respectivas àquele endereço 4a-57 4a-58 Processo de Lease DHCP Endereços IP: como conseguir um? DHCP DISCOVER (broadcast, UDP 67) DHCP OFFER (IP, tempo, params) de A DHCP OFFER (IP, tempo, params) de DHCP REQUEST para A (broadcast) ou DHCP DECLINE para A (parâmetros errados) DHCP ACK de A ou DHCP NACK de A A Rede (parte de ): conseguir alocação a partir do espaço de endereços do seu provedor IP loco do /0 provedor Organização / Organização / Organização / Organização / 4a-59 4a-60

16 Endereçamento hierárquico: agregação de rotas Endereçamento hierárquico permite anunciar eficientemente informação sobre rotas: Organização / Organização n / Organização / Organização /.... Provedor A Provedor mande-me qq coisa com endereços que começam com /0 mande-me qq coisa com endereços que começam com /6 Internet Endereçamento IP: a última palavra... P: Como um provedor IP consegue um bloco de endereços? A: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers aloca endereços gerencia DNS aloca nomes de domínio, resolve disputas (no rasil, estas funções foram delegadas ao Registro nacional, sediado na FAPESP (SP), e comandado pelo Comitê estor Internet R) 4a-6 4a-6 Enviando um datagrama da origem ao destino datagrama IP: campos misc end. IP origem end. IP dest dados datagrama permanece inalterado, enquanto passa da origem ao destino campos de endereços de interesse aqui A tabela de rotas em A dest. próx. rot. Ns E... 4a-6 Enviando um datagrama da origem ao destino aampos misc dados Supomos um datagrama IP originando em A, e endereçado a : procura endereço de de descobreque édamesma que A camada de remeterá datagrama direamente para num quadro da camada de e A estão diretamente ligados A dest. próx. rot. Ns E... 4a-64

17 Enviando um datagrama da origem ao destino Enviando um datagrama da origem ao destino aampos misc dados OrigemA, destino E: procura endereço de de E E numa diferente A, E não ligados diretamente tabela de rotas: próximo roteador na rota para E é...4 camada de envia datagrama ao roteador...4 num quadro da camada de datagrama chega a...4 continua A dest. próx. rot. Ns E... 4a-65 próx. aampos misc dados dest. rot. Nenl. interface Chegando a...4, destinado a procura endereço de de E A... E fica na mesma que a... interface...9 do roteador... roteador, E estão diretamente ligados... camada de envia E datagrama p/... dentro de quadro de camada de via interface datagrama chega a...!!! 4a-66 Formato do datagrama IP número da versão do protocolo IP comprimento do cabeçalho (bytes) tipo dos dados (DS) número máximo de s restantes (decrementado a cada roteador) protocolo da camada superior ao qual entregar os dados ver comp. cab ident. 6-bits sobrevida bits tipo de serviço camada superior comprimento início do bits fragmento checksum Internet endereço IP de origem bits endereço IP de destino bits Opções (se tiver) dados (comprimento variável, tipicamente um segmento TCP ou UDP) comprimento total do datagrama (bytes) para fragmentação/ remontagem p.ex. temporizador, registrar rota seguida, especificar lista de roteadores a visitar. IP: Fragmentação & Remontagem cada de tem MTU (max.transmission unit) - maior tamanho possível de quadro neste. tipos diferentes de têm MTUs diferentes datagrama IP muito grande dividido ( fragmentado ) dentro da um datagrama vira vários datagramas remontado apenas no destino final bits do cabeçalho IP usados para identificar, ordenar fragmentos relacionados remontagem fragmentação: entrada: um datagrama grande saída: datagramas menores 4a-67 4a-68

18 IP: Fragmentação & Remontagem ICMP: Internet Control Message Protocol compr =4000 ID =x compr =500 bit_frag =0 ID =x ID =x início =0 um datagrama grande vira vários datagramas menores compr =500 compr =040 ID =x bit_frag = bit_frag = início =0 início =480 bit_frag início =0 =960 usado por estações, roteadores para comunicar informação s/ camada de relatar erros: estação,, porta, protocolo inalcançáveis pedido/resposta de eco (usado por ping) camada de acima de IP: msgs ICMP transportadas em datagramas IP mensagem ICMP: tipo, código mais primeiros 8 bytes do datagrama IP causando erro Tipo Código descrição 0 0 resposta de eco (ping) 0 dest. inalcançável estação dest inalcançável protocolo dest inalcançável porta dest inalcançável 6 dest desconhecida 7 estação dest desconhecida 4 0 abaixar fonte (controle de congestionamento - ñ usado) 8 0 pedido eco (ping) 9 0 anúncio de rota 0 0 descobrir roteador 0 TTL (sobrevida) expirada 0 erro de cabeçalho IP 4a-69 4a-70