Capítulo 4: Camada de Rede

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1 Capítulo 4: Camada de Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes de circuito Virtual e redes datagrama 4.3 O que tem dentro de um roteador; 4.4 IP: Protocolo Internet(IP) Formato do Datagrama Endereçamento IPv4 a ICMP IPv6 4: Camada de Rede 4a-1

2 Camada de rede Dinâmica: Transporta segmento do SF transmissor até o SF receptor; No lado do transmissor encapsula segmentos dentro de datagramas; No lado do receptor, entrega segmentos para camada de transporte; Observações: O protocolo da camada de rede é implementada em todos os SF e roteadores; Roteador examina campos do cabeçalho de todo o datagrama IP; application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical application transport network data link physical 4: Camada de Rede 4a-2

3 As duas Funções principais da camada de rede Comutação: mover pacotes dentro do roteador da entrada à saída apropriada; Com base em:tabela de comutação e datagrama; Roteamento: rota seguida por pacotes da origem ao destino. Algoritmos de roteamento; Em algumas arquiteturas... estabelecimento da chamada: algumas arquiteturas de rede requerem determinar o caminho antes de enviar os dados. 4: Camada de Rede 4a-3

4 Interação entre roteamento e comutação routing algorithm local forwarding table header value output link Valor no cabeçalho do pacote que chega : Camada de Rede 4a-4

5 Modelo de serviço da rede P: Qual é o modelo de serviço para o canal que transporta pacotes do remetente ao receptor? Serviço individual por datagramas: Entrega garantida; Entrega garantida com limite de tempo( em menos que 40 msec de atraso). Serviço para um fluxo de datagramas: Entrega datagrama naordem de geração; Garantia mínima de banda para o fluxo; Restrição de mudanças no espaçamento entre pacotes. 4: Camada de Rede 4a-5

6 Modelos de serviço da camada de rede Arquitetura de Rede Modelo de serviço Banda Garantias? Perdas Ordem Tempo Informa s/ congestion.? Internet ATM ATM ATM melhor esforço CBR VBR ABR nenhuma taxa constante taxa garantida mínima garantida não sim sim não não sim sim sim não sim sim não não (inferido via perdas) sem congestion. sem congestion. sim 4: Camada de Rede 4a-6

7 Capítulo 4: Camada de Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes de circuito Virtual e redes datagrama 4.3 O que tem dentro de um roteador; 4.4 IP: Protocolo Internet(IP) Formato do Datagrama Endereçamento IPv4 a ICMP IPv6 4: Camada de Rede 4a-7

8 Camada de Rede: Serviço orientado e não-orientado a conexão Similar ao serviço da camada de transporte, mas: serviço: sistema final-a-sistema final sem escolha: a rede fornece um ou outro implementação: no interior da rede Rede de datagrama fornece serviço nãoorientado a conexão; Rede de Circuito virtuais fornece serviço orientado a conexão; 4: Camada de Rede 4a-8

9 Rede de datagramas: o modelo da Internet não requer estabelecimento de chamada na camada de rede roteadores: não guardam estado sobre conexões fim a fim não existe o conceito de conexão na camada de rede pacotes são roteados usando endereços de destino pacotes entre o mesmo par origem-destino podem seguir caminhos diferentes aplicação transporte rede enlace física 1. envia dados 2. recebe dados aplicação transporte rede enlace física 4: Camada de Rede 4a-13

10 Tabela Comutação 4 bilhões de possíveis entradas Destination Address Range Link Interface through through through otherwise 3 4: Camada de Rede 4a-14

11 Casando o prefixo mais longo Prefi x Match Link Interface otherwise 3 Exemplos DA: Qual interface? DA: Qual interface? 4: Camada de Rede 4a-15

12 Capítulo 4: Camada de Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes de circuito Virtual e redes datagrama 4.3 O que tem dentro de um roteador; 4.4 IP: Protocolo Internet(IP) Formato do Datagrama Endereçamento IPv4 a ICMP IPv6 4: Camada de Rede 4a-17

13 Arquitetura de um Roteador 4: Camada de Rede 4a-18

14 Funções da Porta de Entrada Camada f ísica: recepção de bits Camada de enlace: p.ex., Ethernet veja capítulo 5 Comutação descentralizada: dado o dest do datagrama, procura porta de saída usando tab. de rotas na memória da porta de entrada meta: completar processamento da porta de entrada na velocidade da linha filas: se datagramas chegam mais rápido que taxa de re-envio para matriz de comutação 4: Camada de Rede 4a-19

15 Filas na Porta de Entrada Se matriz de comutação for mais lenta do que a soma das portas de entrada juntas -> pode haver filas nas portas de entrada Bloqueio cabeça-de-fila (Head-of-the-Line - HOL): datagrama na cabeça da fila impede outros na mesma fila de avançarem retardo de enfileiramento e perdas devido ao transbordo do buffer de entrada! 4: Camada de Rede 4a-20

16 Três tipos de matriz de comutação 4: Camada de Rede 4a-21

17 Comutação via Memória Roteadores da primeira geração: pacote copiado pelo processador (único) do sistema velocidade limitada pela largura de banda da memória (2 travessias do barramento por datagrama) Porta de Entrada Memória Porta de Saída Roteadores modernos: Barramento do Sistema processador da porta de entrada consulta tabela, copia para a memória Cisco Catalyst : Camada de Rede 4a-22

18 Comutação via Barramento Move datagrama da memória da porta de entrada à memória da porta de saída via um barramento compartilhado contenção pelo barramento: taxa de comutação limitada pela largura de banda do barramento Barramento de 1 Gbps, Cisco 1900: velocidade suficiente para roteadores de acesso e corporativos (mas não regionais ou de backbone) 4: Camada de Rede 4a-23

19 Comutação via uma Rede de Interconexão supera limitações de banda dos barramentos Redes Banyan, outras redes de interconexão desenvolvidas inicialmente para interligar processadores num multiprocessador Projeto avançado: fragmentar datagrama em células de tamanho fixo, comutar células através da matriz de comutação. Cisco 12000: comuta N Gbps pela rede de interconexão. 4: Camada de Rede 4a-24

20 Porta de Saída Buffers necessários quando datagramas chegam da matriz de comutação mais rapidamente que a taxa de transmissão Disciplina de escalonamento escolhe um dos datagramas enfileirados para transmissão 4: Camada de Rede 4a-25

21 Filas na Porta de Saída usa buffers quando taxa de chegada através do comutador excede taxa de transmissão de saída enfileiramento (retardo), e perdas devidas ao transbordo do buffer da porta de saída! 4: Camada de Rede 4a-26

22 Capítulo 4: Camada de Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes de circuito Virtual e redes datagrama 4.3 O que tem dentro de um roteador; 4.4 IP: Protocolo Internet(IP) Formato do Datagrama Endereçamento IPv4 a ICMP IPv6 4: Camada de Rede 4a-27

23 A Camada de Rede na Internet Funções da camada de rede em estações, roteadores: Camada de transporte: TCP, UDP Camada de rede Protocolos de rot. seleção de rotas RIP, OSPF, BGP Tabela de com. protocolo IP convenções de endereços formato do datagrama convenções de manuseio do pct protocolo ICMP relata erros sinalização de roteadores Camada de enlace Camada física 4: Camada de Rede 4a-28

24 Formato do datagrama IP número da versão do protocolo IP comprimento do cabeçalho (bytes) tipo dos dados (DS) número máximo de enlaces restantes (decrementado a cada roteador) protocolo da camada superior ao qual entregar os dados Qual o overhead com TCP? 20 bytes de TCP 20 bytes de IP = 40 bytes + overhead aplic. ver comp. cab ident. 16-bits sobrevida TTL tipo de serviço 32 bits camada superior comprimento bits início do fragmento checksum Internet endereço IP de origem 32 bits endereço IP de destino 32 bits Opções (se tiver) dados (comprimento variável, tipicamente um segmento TCP ou UDP) comprimento total do datagrama (bytes) para fragmentação/ remontagem p.ex. registrar rota seguida, especificar lista de roteadores a visitar. 4: Camada de Rede 4a-29

25 IP: Fragmentação & Remontagem cada enlace de rede tem MTU (max.transmission unit) - maior tamanho possível de quadro neste enlace. tipos diferentes de enlace têm MTUs diferentes datagrama IP muito grande dividido ( fragmentado ) dentro da rede um datagrama vira vários datagramas remontagem fragmentação: entrada: um datagrama grande saída: 3 datagramas menores remontado apenas no destino final bits do cabeçalho IP usados para identificar, ordenar fragmentos relacionados 4: Camada de Rede 4a-30

26 IP: Fragmentação & Remontagem Exemplo Datagrama com 4000 bytes MTU = 1500 bytes compr =4000 ID =x compr =1500 bit_frag =0 ID =x início =0 um datagrama grande vira vários datagramas menores bit_frag =1 início =0 compr =1500 ID =x bit_frag =1 início =1480 compr =1040 ID =x bit_frag =0 início =2960 4: Camada de Rede 4a-31

27 Capítulo 4: Camada de Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes de circuito Virtual e redes datagrama 4.3 O que tem dentro de um roteador; 4.4 IP: Protocolo Internet(IP) Formato do Datagrama Endereçamento IPv4 ICMP IPv6 4: Camada de Rede 4a-32

28 Endereçamento IP: introdução endereço IP: ident. de 32-bits para interface de estação, roteador interface: conexão entre estação, roteador e enlace físico roteador típico tem múltiplas interfaces estação pode ter múltiplas interfaces endereço IP associado à interface, não à estação ou roteador = : Camada de Rede 4a-33

29 Endereçamento IP endereço IP: parte de rede (bits de mais alta ordem) parte de estação (bits de mais baixa ordem) O que é uma rede IP? (da perspectiva do endereço IP) interfaces de dispositivos com a mesma parte de rede nos seus endereços IP podem alcançar um ao outro sem passar por um roteador LAN Esta rede consiste de 3 redes IP (para endereços IP começando com 223, os primeiros 24 bits são a parte de rede) 4: Camada de Rede 4a-34

30 Endereçamento IP Como achar as redes? Desacoplar cada interface do seu roteador, ou estação; criar ilhas de redes isoladas; Sistema interligado consistindo de??? redes : Camada de Rede 4a-35

31 Endereços IP dada a noção de rede, vamos reexaminar endereços IP: endereçamento baseado em classes : classe A 0 rede estação B 10 rede estação C 110 rede estação to to to bits 4: Camada de Rede 4a-36

32 Endereçamento IP: CIDR Endereçamento baseado em classes: uso ineficiente e esgotamento do espaço de endereços p.ex., rede da classe B aloca endereços para 65K estações, mesmo se houver apenas 2K estações nessa rede CIDR: Classless InterDomain Routing parte de rede do endereço de comprimento arbitrário formato de endereço: a.b.c.d/x, onde x é no. de bits na parte de rede do endereço parte de rede parte de estação /23 4: Camada de Rede 4a-37

33 Endereços IP: como conseguir um? Estações (parte de estação): codificado pelo administrador num arquivo Windows: control-panel->network->configuration- >tcp/ip->properties Linux/ubuntu: /etc/network/interfaces 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 4: Camada de Rede 4a-38

34 DHCP: cenário cliente-servidor A servidor DHCP B E Cliente DHCP que chega necessita de um endereço nesta rede 4: Camada de Rede 4a-39

35 DHCP: cenário cliente-servidor Servidor DHCP : DHCP discover src : , 68 dest.: ,67 yiaddr: transaction ID: 654 Cliente que chega temp o DHCP request DHCP offer src: , 68 dest:: , 67 yiaddrr: transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 654 Lifetime: 3600 secs DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs 4: Camada de Rede 4a-40

36 Endereços IP: como conseguir um? Rede (parte de rede): conseguir alocação a partir do espaço de endereços do seu provedor IP Bloco do /20 provedor Organização /23 Organização /23 Organização / Organização /23 4: Camada de Rede 4a-41

37 Endereçamento IP: a última palavra... P: Como um provedor IP consegue um bloco de endereços? R: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers aloca endereços gerencia DNS aloca nomes de domínio, resolve disputas (no Brasil, estas funções foram delegadas ao Registro nacional, e comandado pelo Comitê Gestor Internet BR) 4: Camada de Rede 4a-42

38 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 B tabela de rotas em A rede dest. próx. rot Nenlaces E 4: Camada de Rede 4a-43

39 Qual o tamanho da Internet? Endereçaveis: ,00 Com a divisão por classe: A: ,00 B: ,00 C: ,00 4: Camada de Rede 4a-47

40 Quantos estão de fato ativos 4: Camada de Rede 4a-48

41 NAT: Network Address Translation Restante da rede Rede local (e.g., home network) / Todos os datagramas saindo da rede local tem o mesmo endereço NAT IP: , diferentes números de portas fontes Datagramas com origem ou destino nesta rede tem endereço /24 para fonte, e de destino o usual 4: Camada de Rede 4a-49

42 NAT: Network Address Translation Motivação: rede local usa apenas um endereço IP: Não há necessidade de alocar faixas de endereços de um ISP apenas um endereço IP é usado para todos os dispositivos Permite mudar o endereço dos dispositivos internos sem necessitar notificar o mundo externo; Permite a mudança de ISPs sem necessitar mudar os endereços dos dispositivos internos da rede local Dispositivos internos a rede, não são visíveis nem endereçaveis pelo mundo externo (melhora segurança); 4: Camada de Rede 4a-50

43 NAT: Network Address Translation Implementação: roteador NAT deve; Datagramas que saem: trocar (endereço IP fonte, porta #) de cada datagrama de saída para (endereço NAT IP, nova porta #)... clientes/servidores remotos irão responder usando (endereço NAT IP, nova porta #) como endereço destino. guardar (na tabela de tradução de endereços NAT): os pares de tradução de endereços (endereço IP fonte, porta #) para (endereços NAT IP, nova porta #) Datagramas que chegam: trocar (endereço NAT IP, nova porta #) no campo de destino de cada datagrama que chega com o correspondente (endereço IP fonte, porta #) armazenado na tabela NAT 4: Camada de Rede 4a-51

44 NAT: Network Address Translation 2: roteador NAT muda o endereço de origem , 3345 de , 3345 para , 5001, e atualiza a tabela 2 Tabela de tradução NAT WAN addr LAN addr , , 3345 S: , 5001 D: , S: , 3345 D: , : host envia datagrama para , S: , 80 D: , : resposta chega no endereço de destino: , 5001 S: , 80 D: , : roteador NAT muda o endereço de destino de , 5001 para , : Camada de Rede 4a-52

45 NAT: Network Address Translation Campo de porta de 16-bit : 60,000 conexões simultâneas com um único endereço de rede; NAT é controverso: Roteadores devem fazer processamentos até no máximo a camada 3; Viola o conceito fim-a-fim A possibilidade de suporte a NAT deve ser levado em consideração pelos desenvolvedores de aplicações; O problema de diminuição do número de endereços deveria ser tratada por IPv6; 4: Camada de Rede 4a-53

46 Passando pelo NAT cliente quer se conectar ao servidor que tem endereço O endereço do servidor( ) é válido na LAN (cliente Não pode usar como endereço de destino) Somente o endereço NATted é visível: Solução 1: configurar estaticamente o NAT para repassar requisições de conexão de uma dada porta para o servidor e.g., ( , port 2500) sempre repassa para porta Cliente? NAT router : Camada de Rede 4a-54

47 Passando pelo NAT solução 2: Protocolo Universal Plug and Play (UPnP) Internet Gateway Device (IGD). Permite SF NATted: Encontrar um endereço IP público ( ) Adcionar/remover mapeamento de porta (com lease times) NAT router IGD i.e., automatiza a solução estática de mapeamento de porta 4: Camada de Rede 4a-55

48 Passando pelo NAT solução 3: relaying (usado pelo Skype) Cliente NATed estabelece uma conexão com o relay Cliente externo conecta-se com o relay Relay conecta pacotes entre as conexões Cliente 2. conexão para o relay iniciada pelo cliente 3. relaying estabelecido 1. conexão para o relay iniciada pelo SF NATted NAT router : Camada de Rede 4a-56

49 ICMP: Internet Control Message Protocol usado por estações, roteadores para comunicar informação s/ camada de rede relatar erros: estação, rede, porta, protocolo inalcançáveis pedido/resposta de eco (usado por ping) camada de rede acima de IP: msgs ICMP transportadas em datagramas IP mensagem ICMP: tipo, código nos primeiros 8 bytes do datagrama IP causando erro Tipo Código descrição 0 0 resposta de eco (ping) 3 0 rede dest. inalcançável 3 1 estação dest inalcançável 3 2 protocolo dest inalcançável 3 3 porta dest inalcançável 3 6 rede dest desconhecida 3 7 estação dest desconhecida 4 0 abaixar fonte (controle de congestionamento - ñ usado) 8 0 pedido eco (ping) 9 0 anúncio de rota 10 0 descobrir roteador 11 0 TTL (sobrevida) expirada 12 0 erro de cabeçalho IP 4: Camada de Rede 4a-57

50 Traceroute e ICMP Fonte envia uma serie de segmentos UDP para dest Prim. tem TTL =1 Segundo tem TTL=2, etc. Num. Porta improvável Qdo nth datagrama chega ao nth roteador: Roteador descarta datagr. E envia para a fonte uma mensagem ICMP (tipo 11, código 0) Mensagem inclui nome do roteador & endereço IP Quando a mensagem ICMP chega, a fonte calcula RTT Traceroute faz 3x a operação Critério de parada Segmento UDP eventualmente chega no SF destino Destino retorna uma msg ICMP host unreachable packet (tipo 3, cod. 3) Quando a fonte recebe essa Msg ICMP, para. 4: Camada de Rede 4a-58

51 IPv6 Motivação Inicial: Espaço de endereçametno de 32 bits estava para ser alocado por completo. Motivação adcional: Formato do cabeçalho ajuda na velocidade de processamento/comutação Cabeçalho mudou para facilitar QoS Formato do datagrama IPv6: Cabeçalho de tamanho fixo 40 bytes Não permite fragmentação 4: Camada de Rede 4a-59

52 Cabeçalho do Ipv6(Cont.) Pri identica prioridade entre datagramas no fluxo Flow Label: identica datagramas em um fluxo. (conceito de fluxo não claramente definido). Next header: identica a camada de cima 4: Camada de Rede 4a-60

53 Outras mudanças em relação ao IPv4 Checksum: removido para reduzir tempo de processamento em cada salto Options: possível, mas fora do cabeçalho, indicado pelo campo Next Header ICMPv6: nova versão do ICMP Tipos novos de mensagens, e.g. Packet Too Big Funções para gerenciamento de transmissão em grupo 4: Camada de Rede 4a-61

54 Transição do IPv4 para IPv6 Nem todos os roteadores podem ser atualizados simultaneamente Sem a possibilidade de flag days Como a rede poderia operar com um mix de roteadores IPv4 e IPv6? Tunneling: IPv6 transportado com carga nos datagrama IPv4 ao longo de uma rota administrada por roteadores IPv4 4: Camada de Rede 4a-62

55 Tunneling Ideia: A B E F tunel IPv6 IPv6 IPv6 IPv6 Physical view: A B E F IPv6 IPv6 IPv6 IPv6 IPv4 IPv4 4: Camada de Rede 4a-63

56 Tunneling Ideia: A B E F tunel IPv6 IPv6 IPv6 IPv6 Implementado: A B C D E F IPv6 IPv6 IPv4 IPv4 IPv6 IPv6 Flow: X Src: A Dest: F data Src:B Dest: E Flow: X Src: A Dest: F Src:B Dest: E Flow: X Src: A Dest: F Flow: X Src: A Dest: F data data data A-para-B: IPv6 B-para-C: IPv6 dentro IPv4 B-para-C: IPv6 dentro IPv4 E-para-F: IPv6 4: Camada de Rede 4a-64

57 Capitulo 4: Camada Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes circuito Virtual e datagrama 4.3 O que tem em um roteador 4.4 IP: Protocolo Internet Formato do Datagram Endereçamento IPv4 ICMP IPv6 4.5 Algoritmos de roteamento Estado do Enlace Vetor Distancia Roteamento Hierárquico 4.6 Roteamento na Internet RIP OSPF BGP 4.7 roteamento Broadcast e multicast 4: Camada de Rede 4a-65

58 A interação entre roteamento e comutação routing algorithm local forwarding table header value output link value in arriving packet s header : Camada de Rede 4a-66

59 A malha de roteadores como um Grafo 5 Grafo: G = (N,E) u 1 2 v x w y z N = conjunto de roteadores = { u, v, w, x, y, z } E = conj. de enlaces ={ (u,v), (u,x), (v,x), (v,w), (x,w), (x,y), (w,y), (w,z), (y,z) } 4: Camada de Rede 4a-67

60 Grafo: Custos u v 2 x w y z c(x,x ) = custo do enlace (x,x ) - e.g., c(w,z) = 5 custo poder ser sempre 1, ou inversamente relacionado à banda, ou relacionado ao congestionamento Custo de um caminho (x 1, x 2, x 3,, x p ) = c(x 1,x 2 ) + c(x 2,x 3 ) + + c(x p-1,x p ) Questão: Qual é o caminho de Menor custo entre u e z? Algoritmo de Roteamento: algoritmo que encontra o caminho De menor custo. 4: Camada de Rede 4a-68

61 Capitulo 4: Camada Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes circuito Virtual e datagrama 4.3 O que tem em um roteador 4.4 IP: Protocolo Internet Formato do Datagram Endereçamento IPv4 ICMP IPv6 4.5 Algoritmos de roteamento Estado do Enlace Vetor Distancia Roteamento Hierárquico 4.6 Roteamento na Internet RIP OSPF BGP 4.7 roteamento Broadcast e multicast 4: Camada de Rede 4a-69

62 Classificação para algoritmo de Roteamento Usa informação Global ou decentralizada? Global: Todos os roteadores têm topologia completa, info de custo do custo do enlace Algoritmos estado do enlace Decentralizado: Roteadores sabem sobre os vizinhos conectados fisicamente, custo do enlace para os vizinhos Processo iterativo de computação, troca de info entre os vizinhos Algoritmos vetor distância Estático e dinâmico? Estático: Rotas mudam lentamente com o tempo Dinâmico: Rotas mudam mais rapidamente Atualização periódicas Em resposta a mudanças no custo do enlace 4: Camada de Rede 4a-70

63 Algoritmo roteamento baseado em estado do enlace Algoritmo de Dijkstra Conhece topologia da rede, custo do enlaçe de todos os nós Obtido via broadcast do estado do enlace Todos os vértices tem a mesma info Computa os caminhos de menor custo de um vértice (fonte) a todos os demais nós entrada tabela de comutação para o vértice iterações: após k iterações, descobre o caminho de menor custo para k destinos Notação: c(x,y): custo do enlace do vértice x para y; = se nào forem vizinhos diretos D(v): valor atual do custo do caminho do vertice fonte até o vértice v p(v): vértice predecessor do vértice v no caminho N': conjunto de vértices cujo o menor custo já se sabe em definitivo 4: Camada de Rede 4a-71

64 Algoritmo de Dijkstra 1 Initialization: 2 N' = {u} 3 for all nodes v 4 if v adjacent to u 5 then D(v) = c(u,v) 6 else D(v) = 7 8 Loop 9 find w not in N' such that D(w) is a minimum 10 add w to N' 11 update D(v) for all v adjacent to w and not in N' : 12 D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) ) 13 /* new cost to v is either old cost to v or known 14 shortest path cost to w plus cost from w to v */ 15 until all nodes in N' 4: Camada de Rede 4a-72

65 Algoritmo de Dijkstra: exemplo Passo N' u ux uxy uxyv uxyvw uxyvwz D(v),p(v) 2,u 2,u 2,u D(w),p(w) 5,u 4,x 3,y 3,y D(x),p(x) 1,u D(y),p(y) 2,x D(z),p(z) 4,y 4,y 4,y 5 u 1 2 v x w y z 4: Camada de Rede 4a-73

66 Algoritmo de Dijkstra: exemplo (2) Arvore menor caminho a partir de u: u v x w y z Tabela de comutação resultante em u: Destino v x y w z enlace (u,v) (u,x) (u,x) (u,x) (u,x) 4: Camada de Rede 4a-74

67 Algoritmo de Dijkstra, discursão Complexidade do Algoritmo: n vértices Cada iteração: precisa verificar todos vértices, w, não estão em N n(n+1)/2 comparações: O(n 2 ) Implementação mais eficiente é possível: O(nlogn) 4: Camada de Rede 4a-75

68 Algoritmo de Dijkstra, discursão Possíveis oscilações: e.g., custo do enlace = quantidade de tráfego transferido 1 A 1+e D 0 0 B 0 e C 1 1 e initialização 0 A 0 D 0 0 B 0 0 C 1 1 e 2+e A 0 D 1+e 1 B 0 0 C recomputa rotas 0 A 2+e D 0 0 B 1 C 1+e recomputa 2+e A 0 D B 0 1+e 1 e C recomputa 4: Camada de Rede 4a-76

69 Capitulo 4: Camada Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes circuito Virtual e datagrama 4.3 O que tem em um roteador 4.4 IP: Protocolo Internet Formato do Datagram Endereçamento IPv4 ICMP IPv6 4.5 Algoritmos de roteamento Estado do Enlace Vetor Distância Roteamento Hierárquico 4.6 Roteamento na Internet RIP OSPF BGP 4.7 roteamento Broadcast e multicast 4: Camada de Rede 4a-77

70 Algoritmo vetor distância Equação de Bellman-Ford(programação dinâmica) Defina d x (y) := caminho de menor custo de x para y então d x (y) = min {c(x,v) + d v (y) } v onde min é tomado entre todos os vizinhos v de x 4: Camada de Rede 4a-78

71 Exemplo do Bellman-Ford 2 5 Claramente, d v (z) = 5, d x (z) = 3, d w (z) = 3 v 3 w 5 u 2 1 z Equação B-F define: d x y u (z) = min { c(u,v) + d v (z), 1 c(u,x) + d x (z), c(u,w) + d w (z) } = min {2 + 5, 1 + 3, 5 + 3} = 4 Vértice que atinge o mínimo é o próximo Salto no caminho mais curto tabela de comutação 4: Camada de Rede 4a-79

72 Algoritmo Vetor distância D x (y) = estima o menor custo de x para y Vértice x conhece o custo de cada vizinho v: c(x,v) Vértice x mantém o vetor distância D x = [D x (y): y є N ] Vértice x também mantém o vetor distância dos seus vizinhos Para cada vizinho v, x mantém D v = [D v (y): y є N ] 4: Camada de Rede 4a-80

73 Algoritmo Vetor distância (4) Idéia básica: De tempo-em-tempo, cada vértice envia seu próprio vetor distância para os vizinhos Assincrona Quando um vértice x recebe um novo DV estimado de um vizinho, ele atualiza o seu próprio DV usando equação de B-F: D x (y) min v {c(x,v) + D v (y)} para cada vértice y N Em condição mínimas, e normais, D x (y) converge para o menor custo de fato d x (y) 4: Camada de Rede 4a-81

74 Algoritmo Vetor distância(5) Iterativo, assincrono: cada iteração local causada por: Mudança no custo local do enlace Mensagem de atualização do DV Distribuído: Cada vértice notifica os vizinho somente quando ocorre mudança no seu DV Vizinhos então notificam seus vizinhos se necessário Cada vértice: espera por (mudança no custo local ou msg do vizinho) recomputa estima se DV para qualquer dest mudou, notifica vizinhos 4: Camada de Rede 4a-82

75 D x (y) = min{c(x,y) + D y (y), c(x,z) + D z (y)} Tabela nó x = min{2+0, 7+1} = 2 Custo para Custo para x y z x y z x y z Tabela nó y Custo para x y z de de de x y z Tabela nó z Custo para x y z x y z de x y z tempo D x (z) = min{c(x,y) + D y (z), c(x,z) + D z (z)} = min{2+1, 7+0} = 3 x 2 y 7 z 4: Camada de Rede 4a-83 1

76 D x (y) = min{c(x,y) + D y (y), c(x,z) + D z (y)} D x (z) = min{c(x,y) + = min{2+0, 7+1} = 2 D y (z), c(x,z) + D z (z)} Tabela nó x = min{2+1, 7+0} = 3 Custo para Custo para Custo para x y z x y z x y z x x x y y y z z z Tabela nó y Custo para Custo para Custo para x y z x y z x y z y 2 1 x x x x z y y y z z z Tabela nó z Custo para Custo para Custo para x y z x y z x y z de de de x y z de de de x y z de de de x y z time 4: Camada de Rede 4a-84

77 Vetor distância: Mudanças no custo do enlace Mudança no custo do enlace: Nó detecta mudança no custo do enlace local Atualiza info de roteamento, recalcula o vetor distância se mudança em DV, notifica vizinhos x 1 4 y 50 1 z noticia boa viaja rápido No tempo t 0, y detecta mudança no custo do enlace, atualiza o DV, e informa seus vizinhos. No tempo t 1, z recebe a atualização de y e atualiza sua tabela. Ele computa um novo menor custo de x e envia-o para seus vizinhos DV. No tempo t 2, y recebe atualizações de z e atualiza sua tabela. O menor custo de y não mudam e assim y não envia nem uma mensagem para z. 4: Camada de Rede 4a-85

78 Vetor distância: Mudanças no custo do enlace 60 x 4 y 50 1 z 4: Camada de Rede 4a-86

79 Vetor distância: Mudanças no custo do enlace Mudança no custo do enlace: Boas notícias chegam rápido Notícias ruins vão mais devagar problema da contagem infinita! 44 iterações antes do algoritmo se estabilizar Envenenamento reverso: Se Z está na rota de Y para X : Z informa a Y que sua (Z) distância para X é infinita (assim Y não irá rotear para X via Z) O problema será completamente resolvido? 60 x 4 y 50 1 z 4: Camada de Rede 4a-87

80 Comparação entre DV e LS Complexidade Mensagens LS: cada n vértices, E enlaces, O(nE) msgs são enviadas DV: troca somente entre vizinhos Convergência em tempo varia Velocidade de convergência LS: Algoritmo O(n 2 ) requer O(nE) msgs Por haver as ocilações DV: Convergência varia no tempo Roteamento pode entrar em loop Problema da contagem infinita Robustez: O que acontece se o roteador passa a Não funcionar? LS: Vértice pode publicar custo do enlace incorreto Cada vértice computa apenas a sua tabela DV: Vértice DV pode publicar custo incorreto do caminho Cada tabela no vértice é usada por outros Propaga erro pela rede 4: Camada de Rede 4a-88

81 Capitulo 4: Camada Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes circuito Virtual e datagrama 4.3 O que tem em um roteador 4.4 IP: Protocolo Internet Formato do Datagram Endereçamento IPv4 ICMP IPv6 4.5 Algoritmos de roteamento Estado do Enlace Vetor Distância Roteamento Hierárquico 4.6 Roteamento na Internet RIP OSPF BGP 4.7 roteamento Broadcast e multicast 4: Camada de Rede 4a-89

82 Roteamento Hierárquico Os estudos sobre roteamento até então - idealização Todos os roteadores são identicos Rede é plana não é verdade na prática escala: com 200 milhões destinos: Não há como armazenar todos os destinos nas tabelas de roteamento! A troca de Tabela de roteamento pode sobrecarregar os enlaçes! Autonomia administrativas Internet = rede de redes Cada administrador pode querer controlar o roteamento de sua rede 4: Camada de Rede 4a-90

83 Roteamento Hierárquico Agrega roteadores em uma região, sistemas autonomos (AS) Roteadores em um mesmo AS rodam o mesmo procotolo de roteamento Roteamento intra-as Roteamento em diferentes AS podem rodar diferentes protocolos de roteamento intra-as Roteador Gateway Enlace direto para roteador em outro AS 4: Camada de Rede 4a-91

84 ASes Interconectados 3c 3a 3b AS3 1a 1c 1d 1b Intra-AS Algoritmo Roteamento Repasse Tabela AS1 2a Inter-AS Algoritmo Roteamento 2c 2b AS2 Tabelas de comutação atualizadas por ambos os algoritmos de roteamento: intra- e inter-as Conjuntos de entradas intra- AS para destinos internos Conjuntos de entradas inter- AS & intra-as para destinos externos 4: Camada de Rede 4a-92

85 Tarefas Inter-AS Suponha Roteador em AS1 receba datagrama destinado para um ponto fora de AS1: Roteador deve repassar pacotes para o roteador borda, mais qual deles? 3c 3a 3b AS3 1a 1c 1d 1b AS1 deve: 1. Aprender quais destinos são alcançáveis através do AS2, e quais são através do AS3 2. Propagar a info de alcançabilidade para todos os roteadores em AS1 Traballho do roteamento inter-as! AS1 2a 2c 2b AS2 4: Camada de Rede 4a-93

86 Exemplo: configuração da tabela de repasse no roteador 1d Suponha AS1 aprende (via protocolo inter-as) que a subrede x é alcançável via AS3 (borda 1c) mas não via AS2. Protocolo inter-as propaga a info de alcançabilidade para todos os roteadores internos. Roteador 1d determina da informação de roteamento do intra-as que sua interface I está no caminho de menor custo para 1c. Insere a entrada (x,i) na tabela de roteamento 3c 3a 3b AS3 1a 1c 1d x 1b AS1 2a 2c 2b AS2 4: Camada de Rede 4a-94

87 Exemplo: Escolhendo entre múltiplos ASes Agora suponha AS1 saiba atravês do protocolo inter- AS que a subrede x é alcançável a partir de AS3 e de AS2. Para configurar tabela de repasse, roteador 1d deve determinar através de que roteador de borda ele deve repassar o pacotes para o destino x. Essa também é a tarefa do procotolo de roteamento inter-as! 3c 3a 3b AS3 1a 1c 1d x 1b AS1 2a 2c 2b AS2 4: Camada de Rede 4a-95

88 Exemplo: Escolhendo entre múltiplos ASes Roteamento hot potato: envia pacotes através do roteador mais próximos entre os dois em questão. Aprende pelo protocolo Inter-AS que a Subrede x é alcançável Via múltiplos roteadores Usa info roteamento do procotocolo intra- AS para determinar custos dos caminhos de menor custo para cada roteador Roteamento Hot potato: Escolhe o roteador de borda que tem o menor entre os menos custos Determine da tabela de Comutação a interface I que leva O gateway de menor custo Entre com (x,i) na Tabela de comutação 4: Camada de Rede 4a-96

89 Capitulo 4: Camada Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes circuito Virtual e datagrama 4.3 O que tem em um roteador 4.4 IP: Protocolo Internet Formato do Datagram Endereçamento IPv4 ICMP IPv6 4.5 Algoritmos de roteamento Estado do Enlace Vetor Distância Roteamento Hierárquico 4.6 Roteamento na Internet RIP OSPF BGP 4.7 roteamento Broadcast e multicast 4: Camada de Rede 4a-97

90 Roteamento Intra-AS Também conhecido como Interior Gateway Protocols (IGP) Os procotocolos mais comuns para roteamento Intra-AS: RIP: Routing Information Protocol OSPF: Open Shortest Path First IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (Proprietário da Cisco) 4: Camada de Rede 4a-98

91 Capitulo 4: Camada Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes circuito Virtual e datagrama 4.3 O que tem em um roteador 4.4 IP: Protocolo Internet Formato do Datagram Endereçamento IPv4 ICMP IPv6 4.5 Algoritmos de roteamento Estado do Enlace Vetor Distância Roteamento Hierárquico 4.6 Roteamento na Internet RIP OSPF BGP 4.7 roteamento Broadcast e multicast 4: Camada de Rede 4a-99

92 RIP ( Routing Information Protocol) Algoritmo vetor distância Incluído na distribuição BSD-UNIX em 1982 Métrica distância: # de saltos(max = 15 saltos) Do roteador A para subredes: z u A C B D v y w x Destino saltos u 1 v 2 w 2 x 3 y 3 z 2 4: Camada de Rede 4a-100

93 Propaganda RIP Vetores distância: trocas entre vizinhos a cada 30 seg via Response Message (também chamado propaganda) Cada propaganda: lista até 25 destino de subredes dentro do AS 4: Camada de Rede 4a-101

94 RIP: Exemplo z w x y A D B C Rede destino Prox. Roteador Nro. saltos p/ dest. w A 2 y B 2 z B 7 x Tabela roteamento/comutação em D 4: Camada de Rede 4a-102

95 RIP: Exemplo Dest prox saltos w - 1 x - 1 z C Propaganda de A para D w x y A D B z C Rede destino Prox roteador Nro de saltos dest. w A 2 y B 2 z B A 7 5 x Tabela Roteamento/comutação em D 4: Camada de Rede 4a-103

96 RIP: Falha/Recuperação em Enlace Se não se escuta propaganda por 180 seg --> vizinho/enlace é declarado morto Rota via vizinho é invalidada Nova propaganda enviada para vizinhos Vizinhos a seu tempo enviam novas propagandas (se tabela mudar) Info de Falha enlace é propagado rapidamente(?) para toda a rede Envenenamento reverso usando para evitar loops ping-pong (distância infinita = 16 hops) 4: Camada de Rede 4a-104

97 Processando Tabela RIP Tabelas de roteamento do RIP gerida por um processo da camada de aplicação route-d (daemon) Propaganda enviada em pacotes UDP, repetido periodicamente routed routed Transprt (UDP) Transprt (UDP) Rede (IP) comutação tabela comutação tabela rede (IP) enlace enlace física física 4: Camada de Rede 4a-105

98 Capitulo 4: Camada Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes circuito Virtual e datagrama 4.3 O que tem em um roteador 4.4 IP: Protocolo Internet Formato do Datagram Endereçamento IPv4 ICMP IPv6 4.5 Algoritmos de roteamento Estado do Enlace Vetor Distância Roteamento Hierárquico 4.6 Roteamento na Internet RIP OSPF BGP 4.7 roteamento Broadcast e multicast 4: Camada de Rede 4a-106

99 OSPF (Open Shortest Path First) aberto : disponível publicamente (RFC 2328) Usa algoritmo Estado Enlace Disseminação pacotes Estado Enlace Mapa topologia em cada nó Computação rotas usando algoritmo Dijkstra Propaganda OSPF carrega uma entrada para roteador vizinho Propaganda é repassada para todo AS (via inundação) Carregada em mensagens OSPF diretamente sobre IP (ao invés de TCP ou UDP) 4: Camada de Rede 4a-107

100 Características avançadas OSPF (não estão no RIP) segurança: todas mensagens OSPF autenticada (para previnir intrusão maliciosa) múltiplos caminhos como mesmo-custo são permitidos (somente um caminho no RIP) Para cada enlaçe, múltiplas métricas de custo para diferentes TOS (e.g., enlace satelite define baixo para melhor esforço; alto para tempo real) Suporte Integrado uni- and multicast: Multicast OSPF (MOSPF) usa a mesma conhecimento da topologia OSPF OSPF hieráquica em grandes domínios. 4: Camada de Rede 4a-108

101 OSPF Hierárquico 4: Camada de Rede 4a-109

102 OSPF Hierárquico Hierarquica em duas-camadas: area local, backbone. Propaganda do estado do enlace somente na area Cada nó tem a topologia detalhada da area; conheçe somente direção (menor caminho) para redes em outras areas. Roteadores de borda da area: resume distância para redes em sua própria area, faz propaganda para outros roteadores de borda de area. Roteadores backbone: executa roteamento OSPF limitado ao backbone. Roteadores de borda: conectado a outros AS s. 4: Camada de Rede 4a-110

103 Capitulo 4: Camada Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes circuito Virtual e datagrama 4.3 O que tem em um roteador 4.4 IP: Protocolo Internet Formato do Datagram Endereçamento IPv4 ICMP IPv6 4.5 Algoritmos de roteamento Estado do Enlace Vetor Distância Roteamento Hierárquico 4.6 Roteamento na Internet RIP OSPF BGP 4.7 roteamento Broadcast e multicast 4: Camada de Rede 4a-111

104 Roteamento inter-as na Internet: BGP BGP (Border Gateway Protocol): padrão de fato BGP prover a cada AS uma maneira de: 1. Obter informação de alcançabilidade de uma subrede a partir de ASs vizinhos. 2. Propaga informação de alcançabilidade para todos os roteadores internos a um AS. 3. Determina rotas boas para subredes baseado na informação de alcançabilidade e a política do AS. Permite subrede anunciar sua existência para o restante da Internet: Estou aqui 4: Camada de Rede 4a-112

105 O Básicão do BGP Pares de roteadores (pares BGP) trocam info de roteamento em conexões TCP semi-permanentes: sessão BGP Sessões BGP não precisam corresponder a conexões físicas. Quando AS2 anuncia um pré-fixo para AS1: AS2 compromete-se rem rapassar datagramas para aquele pré-fixo. AS2 pode agregar prefixos em sua propaganda Exemplo!!! 3c 3a 3b AS3 1a AS1 1c 1d ebgp sessão ibgp sessão 1b 2a 2c 2b AS2 4: Camada de Rede 4a-113

106 Distribuindo info alcançabilidade Usando sessão ebgp entre 3a e 1c, AS3 envia pré-fixo como info de alcançabilidade para AS1. 1c pode então usar ibgp para distribuir nova info de pré-fixo para todos os roteadores no AS1 1b pode então anunciar novamente nova info de alcançabilidade para AS2 sobre sessão ebgp 1b-para-2a Quando roteador aprende sobre o novo pré-fixo, ele cria uma entrada para o pré-fixo em sua tabela de comutação. 3c 3a 3b AS3 1a AS1 1c 1d ebgp sessão ibgp sessão 1b 2a 2c 2b AS2 4: Camada de Rede 4a-114

107 Atributos de caminhos & rotas BGP Pré-fixo anunciado inclue atributos BGP. pré-fixo + atributos = rota Dois atributos importantes: AS-PATH: contém ASs por onde o anuncio do préfixo passou: ex, AS 67, AS 17 NEXT-HOP: indica roteador específico interno ao AS para próximo salto no AS. (pode ser multíplos enlaces do AS corrente para próximo hop-as) Quando roteador de borda recebe um anuncio de rota, usa política importa para aceitar/declinar. 4: Camada de Rede 4a-115

108 Seleção rota BGP Roteadores podem aprender sobre mais de uma rota para o mesmo préfixo. Roteador deve selecionar rota. Regras para eliminação: 1. Atributo valor local de preferência. 2. O menor AS-PATH 3. Roteador NEXT-HOP mais próximo: roteamento hot potato 4. Critérios adcionais 4: Camada de Rede 4a-116

109 Mensagens BGP Troca d Mensagens BGP usando TCP. Mensagens BGP: OPEN: abre uma conexão TCP para o par e autêntica transmissor UPDATE: anuncia novo caminho(ou remove antigo) KEEPALIVE conexão mantiva ativa mesmo na ausencia de UPDATES; também quer ACKs OPEN NOTIFICATION: reporta erros em mensagen anterior; também usada para fechar conexão 4: Camada de Rede 4a-117

110 Politica de roteamento BGP W A B C X legenda: provedor rede cliente rede: Y A,B,C são redes provedoras X,W,Y são clientes (das redes provedoras) X é dual-homed: conectado para duas redes X não deseja rotear de B para C.. assim X não irá anunciar para B uma rota para C 4: Camada de Rede 4a-118

111 Politica roteamento BGP (2) W A B C X legenda: provedora rede cliente rede: Y A anuncia caminho AW para B B anuncia caminho BAW para X B deve anunciar caminho BAW para C? Não! B não tem ganho para roteamento CBAW uma vez que nem W nem C são clientes de B B quer forçar C rotear para w via A B quer rotear somente de/para seus clientes! 4: Camada de Rede 4a-119

112 Porque o roteamento Intra- e Inter-AS é diferente? Politica: Inter-AS: adminstrador deseja controlar como o seu tráfego é roteador, que rotas este deve seguir na rede. Intra-AS: único administrador, assim não precisa de politicas Escala: Roteamento hierárquico economiza tamanho da tabela, reduz atualização de tráfego Performance: Intra-AS: foca na performance Inter-AS: politica pode dominar performance 4: Camada de Rede 4a-120