PTC Aula LANs 2.5 virtualização de enlace: MPLS. (Kurose, p ) (Peterson, p ) 29/05/2014

Transcrição

1 PTC Aula LANs 2.5 virtualização de enlace: MPLS (Kurose, p ) (Peterson, p ) 29/05/2014 Muitos slides adaptados com autorização de J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved

2 Camada de enlace, LANs: estrutura 2.1 introdução, serviços 2.2 detecção, correção de erros 2.3 protocolos de acesso múltiplo 2.4 LANs endereçamento, ARP Ethernet switches VLANS 5.5 virtualização de enlace: MPLS 5.6 redes de data centers 5.7 resumo: como funciona um pedido web Camada de enlace 5-2

3 Ethernet Criada nos anos 1970 (Xerox), sofreu forte concorrência nos anos 1980s e início dos 1990 (Token Ring, ATM,...) tecnologia dominante nas LAN cabeadas barata $20 por NIC primeira tecnologia LAN amplamente utilizada (padrão DEC, Intel, Xerox em 1980) mais simples e mais barata do que token rings e ATM fez frente à corrida de velocidades: 10 Mbps 10 Gbps esboço da Ethernet de Metcalfe (Xerox - 3Com - HP) Camada de enlace 5-3

4 Ethernet: topologia física barramento: popular até metade dos anos 90 todos nós no mesmo domínio de colisão (podem colidir uns com os outros) estrela com hub (repetidor) no centro e par trançados de cobre metade dos anos 90 a início dos anos 2000 estrela com switch (comutador) no centro até hoje cada raio roda um protocolo Ethernet (separado) (nós não colidem uns com os outros) barramento: cabo coaxial estrela switch Camada de enlace 5-4

5 Estrutura do quadro Ethernet adaptador enviando encapsula datagrama IP (ou outro pacote de protocolo de camada de rede) num quadro Ethernet preâmbulo endereço destino preâmbulo (8 bytes): endereço fonte tipo dados (carga útil) CRC 7 bytes com padrão seguidos por 1 byte com padrão usado para sincronizar taxas de relógio do remetente, destinatário Camada de enlace 5-5

6 Estrutura do quadro Ethernet (mais) endereços (12 bytes): endereços MAC fonte, destino 6 bytes cada se adaptador recebe quadro com endereço destino casado, ou com endereço de broadcast (e.g. pacote ARP), passa dados no quadro para protocolo da camada de rede caso contrário, adaptador descarta quadro tipo (2 bytes): indica protocolo da camada mais alta (quase sempre IP mas outros possíveis, e.g., Novell IPX, AppleTalk, ARP) - Exemplos dados (46 a bytes (MTU Maximum Transmition Unit)): datagrama IP CRC (4 bytes): verificação de redundância cíclica no receptor erro detectado: quadro é descartado preâmbulo endereço destino endereço fonte tipo dados (carga útil) CRC Camada de enlace 5-6

7 Ethernet: não confiável, sem conexão sem conexão: não há handshaking entre NICs enviando e recebendo não confiável: NIC recebendo não envia ACKs ou NACKs para NIC enviando dados em quadros descartados recuperados apenas se remetente inicial usa transporte confiável em camada mais alta (e.g., TCP), caso contrário dados descartados são perdidos Propriedades fazem Ethernet simples e barato protocolo MAC Ethernet: CSMA/CD com backoff binário Camada de enlace 5-7

8 Padrões Ethernet 802.3: camadas de enlace e física muitos padrões Ethernet diferentes em comum: protocolo MAC e formato do quadro (compatibilidade) diferentes velocidades: 2 Mbps (1973), 10 Mbps (1982), 100 Mbps (1995), 1 Gbps (1998), 10 Gbps (2002), 100 Gbps (2010), 400 Gpbs (2017) diferentes meios da camada física: fibra, cabo diferentes comprimentos máximos 100 m para par trançado e alguns quilômetros para fibra Lista dos padrões aplicação transporte rede enlace física 100BASE-TX 100BASE-T4 protocolo MAC e formato do quadro 100BASE-T2 100BASE-SX 100BASE-FX 100BASE-BX camada física cobre (par trançado) camada física fibra Camada de enlace 5-8

9 Camada de enlace, LANs: estrutura 2.1 introdução, serviços 2.2 detecção, correção de erros 2.3 protocolos de acesso múltiplo 2.4 LANs endereçamento, ARP Ethernet switches VLANS 2.5 virtualização de enlace: MPLS 2.6 redes de data centers 2.7 resumo: como funciona um pedido web Camada de enlace 5-9

10 Switch Ethernet Em português: comutador da camada de enlace dispositivo da camada de enlace: com papel ativo só lê endereço MAC (não IP) filtra, armazena (buffer), repassa quadros Ethernet examina endereço MAC de quadro que chega e sua tabela de comutação; repassa quadro seletivamente para um ou mais enlaces de saída Elimina colisões!! Aumento de desempenho considerável em relação a enlaces com difusão Aumento na segurança (sniffers) transparente hosts não têm ciência da presença de switches plug-and-play, autoaprendizagem switches não precisam ser configurados. É só ligar Camada de enlace 5-10

11 Switch: múltiplas transmissões simultâneas hosts têm conexão direta, dedicada com switch switches colocam pacotes em buffers protocolo Ethernet usado em cada enlace que chega, não há colisões entre eles; full duplex cada enlace é o seu próprio domínio de colisão comutação: A-para-A e B-para- B podem transmitir simultaneamente, sem colisões C 6 5 A A 1 2 B C 4 3 switch com 6 interfaces (1,2,3,4,5,6) B Camada de enlace 5-11

12 Tabela de repasse do switch Q: Como o switch sabe que A é alcançável via interface 4, B alcançável via interface 5, etc.? R: cada switch tem uma tabela de comutação, cada entrada: (endereço MAC do host, interface para alcançar o host, time stamp) parece uma tabela de roteamento! Q: como as entradas são criadas, mantidas na tabela de comutação? algum tipo de protocolo de roteamento? C 6 5 A A 1 2 B C 4 3 switch com 6 interfaces (1,2,3,4,5,6) B Camada de enlace 5-12

13 Switch: autoaprendizagem Fonte: A Dest: A switch aprende quais hosts podem ser alcançados por quais interfaces quando quadro recebido, switch aprende localização do remetente: segmento LAN em que chega armazena par remetente/localização na tabela de comutação Q: O que fazer com pacote cujo dest não está na tabela? C 6 5 A A 1 2 B C end. MAC interface TTL A A A 3 B tabela de comutação (inicialmente vazia) Camada de enlace 5-13

14 Switch: filtragem/repasse de quadro quando quadro é recebido no switch: 1. grava enlace de chegada, endereço MAC do host enviando 2. procura endereço MAC de destino na tabela de comutação 3. se entrada para destino encontrada então { se destino no segmento pelo qual quadro chegou então descarta quadro (filtra) senão repassa quadro para interface indicada por entrada } senão inunda /* repassa para todas as interfaces exceto a interface em que o pacote chega */ Camada de enlace 5-14

15 Exemplo: autoaprendizagem, repasse Fonte: A Dest: A destino do quadro, A, localização desconhecida:inunda C A A A B destino A localização conhecida: seletivamente envia por apenas um enlace A A B C A A A end. MAC interface TTL A 1 60 A 4 60 tabela de comutação (iniciamente vazia) Camada de enlace 5-15

16 Interconectando switches switches podem ser ligados entre si S 4 A B S 1 C S 2 D E F G S 3 H I Q: enviando de A para G como S 1 sabe que tem que repassar quadro destinado a G via S 4 e S 3? R: autoaprendizagem! (funciona exatamente do mesmo modo do caso com único switch!) Camada de enlace 5-16

17 Exemplo de auto-aprendizado no caso multi-switch Suponha que C envia quadro para I, I responde para C A B 1 S C S D 2 3 E 3 S 4 F G 2 1 S 3 3 H 4 I Q: mostre as tabelas de comutação em S 1, S 2, S 3, S 4 Camada de enlace 5-17

18 Rede institutional para rede externa roteador servidor de mail servidor web sub-rede IP Camada de Enlace 5-18

19 Switches vs. roteadores ambos armazenam-e-repassam: roteadores: dispositivos de camada de rede (examinam cabeçalhos da camada de rede) switches: dispositivos da camada de enlace (examinam cabeçalhos da camada de enlace) ambos tem tabelas de repasse: roteadores: calculam tabelas usando algoritmos de roteamento, endereços IP switches: aprendem tabela de repasse usando inundação, aprendizagem, endereços MAC datagrama quadro aplicação transporte rede enlace física switch aplicação transporte rede enlace física enlace física rede enlace física quadro datagrama quadro Camada de Enlace 5-19

20 Switches vs. roteadores Camada de Enlace 5-20

21 Camada de enlace, LANs: estrutura 2.1 introdução, serviços 2.2 detecção, correção de erros 2.3 protocolos de acesso múltiplo 2.4 LANs endereçamento, ARP Ethernet switches VLANS 5.5 virtualização de enlace: MPLS 5.6 redes de data centers 5.7 resumo: como funciona um pedido web Camada de Enlace 5-21

22 Ciência da Computação Engenharia Elétrica VLANs: motivação considere: Engenharia de Computação usuário CC muda para EE, mas ainda quer se conectar a switch CC domínio de broadcast único: todo tráfico broadcast da camada 2 (ARP, DHCP, MAC ainda não conhecido pelo switch) precisa cruzar toda a LAN questões de segurança/privacidade, eficiência isolamento uso ineficiente de switches Camada de Enlace 5-22

23 VLANs Virtual Local Area Network switch(es) com capacidade para VLAN podem ser configurados para definirem múltiplas LANS virtuais sobre uma única estrutura LAN física VLAN baseada em porta: portas do switch agrupadas (por software de gerenciamento do switch) de forma que único switch físico 1 2 Engenharia Elétrica (VLAN portas 1-8) Ciência da Computação (VLAN portas 9-15) operam como multiplos switches virtuais Engenharia Elétrica (VLAN portas 1-8) Ciência da Computação (VLAN portas 9-15) Camada de Enlace 5-23

24 VLAN baseada em porta isolamento do tráfego: quadros de/para portas 1-8 só alcançam portas 1-8 pode-se definir também VLAN baseada em endereços MAC dos pontos finais, ao invés de em portas do switch associação dinâmica: portas podem ser designadas dinâmicamente entre VLANs 1 2 Engenharia Elétrica (VLAN portas 1-8) 7 8 roteador Ciência da Computação (VLAN portas 9-15) repasse entre VLANS: feito via roteamento (como com switches separados) na prática fabricantes vendem combinações switches mais roteadores Exemplo: Criando VLANs de Ethernet em Catalyst Switches Camada de Enlace 5-24

25 VLANS abrangendo múltiplos switches Engenharia Elétrica (VLAN portas 1-8) Ciência da Computação (VLAN portas 9-15) Portas 2,3,5 pertencem a VLAN EE Portas 4,6,7,8 pertencem a VLAN CS porta de entroncamento (trunking): carrega quadros entre VLANS definidas sobre múltiplos switches físicos quadros repassados dentro de VLAN entre switches não podem ser quadros tradicionais (precisam conter info do ID da VLAN) protocolo 802.1Q adiciona/remove campos de cabeçalhos adicionais para quadros repassados entre portas de entroncamento Camada de Enlace 5-25

26 Formato do quadro VLAN 802.1Q tipo preâmbulo endereço dest. endereço fonte dados (carga útil) CRC quadro tipo preâmbulo endereço endereço dados (carga útil) dest. fonte CRC quadro 802.1Q Rótulo de identificação do CRC Protocolo (2 bytes) (valor: 81-00) Recalculado Informação de controle de rótulo (campo ID da VLAN com 12 bit, mais 3 bits de campo de prioridade como no campo IP TOS) Camada de Enlace 5-26

27 Camada de enlace, LANs: estrutura 2.1 introdução, serviços 2.2 detecção, correção de erros 2.3 protocolos de acesso múltiplo 2.4 LANs endereçamento, ARP Ethernet switches VLANS 2.5 virtualização de enlace: MPLS 2.6 redes de data centers 2.7 resumo: como funciona um pedido web Camada de Enlace 5-27

28 Multiprotocol label switching (MPLS) [RFC3032 (2001)... RFC7274 (2014)] objetivo inicial : repasse IP em alta velocidade usando rótulo de comprimento fixo (em vez de endereço IP) pesquisa rápida usando identificador de comprimento fixo (ao invés de casamento com menor prefixo) emprestando ideias da abordagem de circuito virtual (VC) mas datagramas IP ainda mantém endereços IP! Somente entre roteadores com capacidade MPLS (ou roteador com comutação por rótulos label-switched router) cabeçalho PPP ou Ethernet cabeçalho MPLS cabeçalho IP restante do quadro da camada de enlace rótulo Exp S TTL Camada de Enlace 5-28

29 Roteadores com capacidade MPLS repassa pacotes para interface de saída baseado apenas no valor do rótulo (não inspeciona endereço IP) tabelas de repasse MPLS distintas das tabelas de repasse IP flexibilidade: decisões de repasse MPLS podem diferir daquelas do IP usa endereços de fonte e destino para rotear fluxos para mesmo destino de forma diferente (engenharia de tráfego) reroteia fluxos rapidamente se enlace falha: caminhos de backup pré-computados (útil para VoIP) Camada de Enlace 5-29

30 Caminhos MPLS versus IP R6 R5 R4 R3 D A R2 roteamento IP : caminho para destino determinado apenas pelo endereço de destino roteador IP Camada de Enlace 5-30

31 Caminhos MPLS versus IP R6 R5 R4 roteador de entrada (R4) pode usar rotas MPLS para A diferentes baseado, por exemplo, no endereço da fonte R2 R3 D A roteamento IP : caminho para destino determinado pelo endereço do destino apenas roteamento MPLS : caminho para destino pode ser baseado nos endereços da fonte e do dest. reroteamento rápido : pré-computa rotas de backup em caso de falha de enlace roteador apenas IP roteador IP e MPLS Camada de Enlace 5-31

32 Sinalização MPLS modificação dos protocolos de inundação de estado de enlace OSPF, IS-IS para levar info usadas pelo roteamento MPLS, e.g., largura de banda de enlace, quantidade de largura de banda reservada da largura de banda do enlace roteador MPLS de entrada usa protocolo de sinalização RSVP-TE (Resource Reservation Protocol - Traffic Engineering) [RFC 3032 (2001) (2014)] para contruir repasse MPLS nos roteadores a jusante R6 R5 R4 inundação de estado de enlace modificado RSVP-TE D A Camada de Enlace 5-32

33 Tabelas de repasse MPLS rótulo rótulo dest interface de de de saída entrada saída 10 A 0 12 D 0 8 A 1 rótulo rótulo dest interface de de de saída entrada saída 10 6 A D 0 R6 R5 R4 rótulo rótulo dest interface de de de saída entrada saída 8 6 A R2 R D R1 entrada saída 6 - A 0 rótulo rótulo dest interface de de de saída 0 A Camada de Enlace 5-33