Redes de Computadores

Transcrição

1 Redes de Computadores Redes de Computadores Nível de Rede Tráfego Multicast Fonte principal: Christian Huitema. Routing in the Internet. Material baseado na apresentação de Elisa Boff (disciplina de Redes no Mestrado - FACIN) Redes de Computadores 2 1

2 Introdução Maioria das aplicações usam transmissão ponto-a-ponto O uso de transmissão de um ponto para vários pontos era limitado a aplicações em redes locais Ultimamente observa-se o crescente uso de transmissões multicast (conferências, por exemplo) Redes de Computadores 3 IP Multicast Transmissão para múltiplos pontos broadcast (difusão) multicast (difusão seletiva) Redes de Computadores 4 2

3 IP Multicast Multicast pode ser visto como uma generalização de todas as outras formas de endereçamento a forma de endereçamento convencional unicast pode ser encarada como um endereçamento multicast onde apenas uma máquina participa do grupo o endereçamento broadcast como uma forma de endereçamento multicast onde todas as máquinas são membros do grupo multicast Redes de Computadores 5 IP Multicast Desenvolvido por Steve Deering da Xerox PARC em 1988 e adotado depois pelo IETF em Março de 1992 Transmissão de datagramas IP de uma fonte para múltiplos destinatários de uma rede IP (arquitetura Internet TCP/IP) Das cinco classes de endereçamento IP, a classe "D" é utilizada para o IP Multicasting Redes de Computadores 6 3

4 IP Multicast Permite que um datagrama IP seja transmitido para um conjunto de máquinas que formam um grupo multicast: identificado por um endereço IP único formados por um conjunto de zero ou mais estações podem estar espalhadas ao longo de redes físicas separadas Redes de Computadores 7 IP Multicast Os membros de um grupo multicast IP são dinâmicos estações podem entrar ou deixar grupos a qualquer momento não existem restrições para o número de membros de um grupo uma estação pode participar de mais de um grupo simultaneamente e enviar datagramas a um grupo mesmo sem pertencer a ele Redes de Computadores 8 4

5 IP Multicast pacote IP é o mesmo utiliza-se endereço de grupo Redes de Computadores 9 Benefícios do Multicast Em comunicações tradicionais envolvendo vários lugares simultaneamente: para cada pacote do host de origem é feita uma replicação para o número de hosts destinos cada pacote é enviado para seu destino separadamente limitação no número de máquinas tráfego gerado na rede aumenta linearmente com o número de hosts destino envolvidos Redes de Computadores 10 5

6 Benefícios do Multicast Transmissão tradicional Redes de Computadores 11 Benefícios do Multicast Uso do multicast IP trata estas limitações (soluções escalares de rede) Utilizando multicast, apenas uma cópia de cada pacote é enviada por linha, sendo copiada apenas quando houver um braço na árvore lógica dos destinos Redes de Computadores 12 6

7 Benefícios do Multicast A utilização de difusão seletiva fornece um ganho de processamento de CPU e largura de banda quando vários lugares da rede estão envolvidos simultaneamente Redes de Computadores 13 Benefícios do Multicast Uso do multicast IP Redes de Computadores 14 7

8 IP Multicast Quando um grupo de máquinas querem comunicar-se escolhem um endereço multicast particular para a comunicação configura-se a estação para reconhecer os endereços multicast selecionados assim todas as máquinas do grupo deverão receber uma cópia de cada pacote enviado àquele endereço de multicast Redes de Computadores 15 IP Multicast Dentro de uma rede IP podemos ter dois tipos de grupos com facilidade multicasting: "Well-Known endereço de grupo associado a função fixa; membros podem variar transient multicast groups endereços alocados e desalocados para fins dinâmicos Redes de Computadores 16 8

9 IP Multicast Utiliza a classe D de endereçamento IP Classe D Identificação do grupo Os primeiros quatro bits do endereço contém o valor "1110" e identificam o endereço como multicast Os vinte e oito bits seguintes indicam um grupo multicast específico Redes de Computadores 17 IP Multicast Expressados na notação decimal pontual, os endereços multicast IP variam entre e Endereço é reservado, não podendo ser atribuído para nenhum grupo Redes de Computadores 18 9

10 IP Multicast A entrega de um datagrama multicast: realizada com as mesmas características de confiabilidade dos datagramas unicast regulares IP Não há garantia contra perda, atraso, duplicação ou desordenação para nenhum dos membros do grupo Redes de Computadores 19 IP Multicast Para participar em um multicasting é preciso: roteadores multicast, que determinam quais hosts estão no grupo de multicast e fazem o roteamento roteadores e hosts usando protocolo IGMP (Internet Group Management Protocol), quando a rede final for de acesso múltiplo Redes de Computadores 20 10

11 IP Multicast Roteador IP Estação Redes de Computadores 21 IP Multicast Roteador IP Estação IGMP IGMP IGMP IGMP IGMP IGMP IGMP Redes de Computadores 22 11

12 IP Multicast Roteador Multicast - Mrouter Roteador IP Estação IGMP IGMP IGMP IGMP IGMP IGMP IGMP Redes de Computadores 23 IP Multicast O IGMP é implementado diretamente sobre IP e compreende duas mensagens: host membership query host membership reports ambas possuem o mesmo formato Version Type Code Checksum Group Address Redes de Computadores 24 12

13 IP Multicast Fases IGMP fase 1: host avisa roteador que participa de um grupo fase 2: roteador pergunta (poll) frequentemente na rede se existem ainda estações pertencentes a um grupo -> isto permite a dinamicidade dos grupos (entrada/saída de membros) Redes de Computadores 25 IP Multicast IGMP resolve aspectos multicast entre estações finais e o primeiro roteador E o resto? - e o tráfego multicast entre roteadores, como é tratado? Redes de Computadores 26 13

14 Roteamento Multicast Algoritmos de roteamento multicast Flooding Spanning Trees Reverse-Path Fowarding Steiner Trees Core-Based Trees Redes de Computadores 27 Roteamento Multicast Flooding mais simples algoritmo de roteamento multicast nodo da rede recebe um pacote que será enviado a um destino multicast verifica se é a primeira vez que recebe o pacote ou se é duplicado, se for o primeiro, repassa o pacote para todas interfaces, exceto a que enviou Redes de Computadores 28 14

15 Roteamento Multicast mantém uma lista dos últimos pacotes recebidos garante que o roteador não repasse o mesmo pacote duas vezes não garante que um roteador receba um determinado pacote somente uma vez robusto (não depende de tabelas de roteamento e garante entrega dos pacotes), mas gasta muito recurso de memória armazenando uma entrada por pacote Redes de Computadores 29 Roteamento Multicast Flooding: inunda rede com pacotes multicast excesso de tráfego Possíveis otimizações? Redes de Computadores 30 15

16 Roteamento Multicast Spanning Trees evita envio por todas outras saídas como o flooding calcula uma árvore de alcançabilidade - árvore que alcança todos nodos do grafo marca links como partes da árvore ou não usados formando grafo (ou árvore) que estende-se a todos nodos da rede quando um pacote multicast é recebido, é imediatamente enviado a todos os links partes da árvore Redes de Computadores 31 Roteamento Multicast Spanning Trees spanning tree por rede: uso da mesma árvore de alcançabilidade por todas as fontes multicast da rede sobrecarga da árvore, especialmente da raiz otimização tentar fazer com que o tráfego percorra mais de uma spanning tree em uma rede? Redes de Computadores 32 16

17 Roteamento Multicast Reverse-Path Forwarding (RPF) algoritmo usado pelo Mbone usa tabela de roteamento para orientar a rede e computar uma spanning tree por fonte da rede quando um pacote multicast é recebido da fonte S pela interface I se I pertece ao menor caminho até S, repassa o pacote a todas interfaces, exceto I, caso contrário recusa o pacote Redes de Computadores 33 Roteamento Multicast Reverse-Path Forwarding (RPF) vantagens pode-se fazer multicast sem informações adicionais na tabela de roteamento (unicast) desvantagens seria mais apropriado calcular o menor caminho da fonte para o nodo e não do nodo para a fonte (caminho contrário) vários pacotes serão descartados nos vizinhos Redes de Computadores 34 17

18 Roteamento Multicast Reverse-Path Forwarding (RPF) outra forma: antes de repassar pacote ao vizinho, o roteador verifica se está no menor caminho entre S e o vizinho se não está - não repassa para o vizinho direção fonte-destino gera pacotes somente nos links necessários entretanto: necessidade de estender tabelas de roteamento unicast Redes de Computadores 35 Roteamento Multicast Reverse-Path Forwarding (RPF) uma spanning tree por fonte distribuição do tráfego na rede entrega para todos as folhas, independentemente da necessidade ou não do tráfego nas mesmas Redes de Computadores 36 18

19 Roteamento Multicast Técnica de Prune (podar) não enviar dados para ramos da spanning tree que não tenham que receber os dados I.e. se não tem ninguém no grupo naquela ponta, não manda os dados como implementar? Redes de Computadores 37 Roteamento Multicast Técnica de Prune (podar) quando estação recebe pacote multicast e não deseja receber aquele fluxo: manda mensagem ao roteador dizendo para não enviar mais pacotes daquele grupo à estação se todos os links de saída de um fluxo são podados, roteador pode enviar a poda para próximo roteador na spanning tree Redes de Computadores 38 19

20 Roteamento Multicast Técnica de Prune (podar) no caso de redes de múltiplo acesso, utiliza-se o IGMP - Internet Group Membership Protocol um roteador na rede de acesso múltiplo deve rodar IGMP para colher dos hosts a informação sobre quais grupos participam o roteador periodicamente pede para os hosts responderem a quais grupos participam o roteador guarda uma lista dos grupos cujo tráfego deve ser recebido Redes de Computadores 39 Roteamento Multicast Técnica de Prune (podar) se roteador recebe pacote multicast e hosts não querem receber pacotes daquele grupo (i.e. o endereço multicast não consta na sua lista), o roteador manda uma mensagem de poda ao próximo roteador na árvore podas duram um certo período e são invalidadas (soft-state) tráfego multicast atinge novamente as folhas eventuais hosts que tenham entrado no grupo passam a receber o tráfego podas acontecem novamente Redes de Computadores 40 20

21 Roteamento Multicast Reverse-Path Forwarding (RPF) adição de procedimento de poda (prune) Redes de Computadores 41 Roteamento Multicast Core-Based Trees uma spanning tree por grupo é calculada, próximo ao centro do grupo, estacoes mandam para o centro, que entao multicast o pacote para os outros ramos da árvore Steiner Trees... Redes de Computadores 21

22 Padrões Multicast na Internet Estudados pela IETF para resolver problemas do multicast DVMRP - Distance Vector Multicast Routing Protocol OSPF MOSPF Protocol Independent Multicast (PIM) dense mode sparse mode Redes de Computadores 43 Multicast Backbone A disponibilização do Mbone passou pelos seguintes passos: publicação do IGMP em 1988 teste da tecnologia multicast na DARTNET (rede experimental de pequena escala financiada pela DARPA) primeira versão do roteador multicast para máquina Unix em 1992 Redes de Computadores 44 22

23 Multicast Backbone primeiro multicast em conferência da IETF em março de 1992 (transmissão para 30 participantes remotos) O Mbone foi chamado assim por Steve Casner pesquisador do Information Sciences Institute (University of Southern California) Redes de Computadores 45 IP Multicast No MBone, os datagramas são transmitidos por gateways multicast especiais denomidados roteadores multicast, ou mrouters Redes de Computadores 46 23

24 MBone O MBone é uma rede virtual construída sobre a Internet que utiliza uma rede de roteadores que suportam multicast IP (difusão seletiva). Esta rede é composta de subredes que suportam multicast IP, denominados ilhas, conectadas umas as outras através de enlaces ponto-a-ponto virtuais Redes de Computadores 47 MBone A razão do Mbone ser uma rede virtual é que este compartilha a camada física da Internet. Mas é uma rede própria pois o Mbone tem seus próprios roteadores (mrouters) que podem rotear os pacotes do IP multicasting Redes de Computadores 48 24

25 MBone A comunicação entre os roteadores é realizada utilizando o conceito de túneis (enlaces virtuais entre os roteadores) que possibilita a transmissão de pacotes multicast entre roteadores que não suportam esta forma de endereçamento, encapsulando pacotes multicast dentro de pacotes unicast IP Redes de Computadores 49 MBone É denominado túnel a conexão entre estes roteadores Cada uma das ilhas é composta por uma ou mais redes locais conectando um número de nodos clientes e por um nodo que implementa o mrouted (multicast routing daemon) denominado mrouter (roteadores multicast) Redes de Computadores 50 25

26 MBone Os mrouters têm a responsabilidade de replicar e distribuir os quadros de dados multicast para os túneis que conduzem a estações participantes do grupo e para a rede local, caso exista uma estação membro do grupo nela Redes de Computadores 51 MBone A topologia de mrouters do MBone é realizada de maneira a possibilitar uma distribuição de pacotes eficiente sem congestionar nenhum nodo ou enlace de rede topologia aliada ao uso de multicast IP fornece um alto ganho de largura de banda das redes e desempenho das estações envolvidas, graças as vantagens oferecidas pelo uso de multicast Redes de Computadores 52 26

27 MBone Quando um pacote multicast é enviado por um cliente, que o coloca na rede local, ele é apanhado pelo mrouter da subrede O roteador irá consultar sua tabela de roteamento e transmitir o pacote para os túneis correspondentes Redes de Computadores 53 MBone No outro lado do túnel, o outro roteador receberá o pacote e consultará sua tabela de roteamento para decidir se o pacote deve ser enviado para algum outro túnel, verificando também se há algum cliente em sua subrede que está inscrito neste endereço multicast e, caso houver, colocando-o na subrede para ser recebido pelo cliente Redes de Computadores 54 27

28 MBone No final do túnel existem máquinas (wokstations) com um sistema operacional suportando o IP multicast e rodando um daemon multicast routing ou mroteador Os roteadores multicast replicam os pacotes para saídas de múltiplas interfaces e túneis assim como toda a extensão da árvore de distribuição multicast Redes de Computadores 55 MBone O Mbone possui uma topologia com formações em malha e em árvore Entre os maiores provedores de serviços da Internet forma-se uma topologia em malha, formando os backbones principais e enlaces de backup. Nas extremidades, a topologia é geralmente em árvore. Entre os continentes existem um túnel de interligação Redes de Computadores 56 28

29 Topologia MBone Os EUA tem vários túneis entre seus estados A maioria dos túneis são roteados dentro de linhas T1(1.5 Mpbs) ou E1 (2Mbps) Redes de Computadores 57 Topologia MBone Redes de Computadores 58 29

30 Padrões Multicast na Internet MOPSF complementa a base de dados com novo tipo de registro de estado dos enlaces membros do grupo bit M do octeto options define roteamento multicast. Se o bit M for nulo, o roteador não faz multicast M E T Redes de Computadores 59 30