Roteamento Unicast e Multicast. Profa. Priscila Solís Barreto

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1 Roteamento Unicast e Multicast Profa. Priscila Solís Barreto

2 Entrega A camada de rede supervisiona a manipulação dos pacotes nas redes física subjacente. Essa manipulação é definida como a entrega de um pacote. Entrega direta contra Indireta

3 Encaminhamento Encaminhamento significa colocar o pacote no seu percurso até ao destino. Esse proceso requer um host ou um roteador para ter uma tabela de roteamento Técnicas de encaminhamento para fazer o tamanho da tabela de roteamento gerenciável Método next-hop contra o método de rota Método específico da rede contra o método host-específico Método padrão

4 Técnicas de Encaminhamento Método da rota versus método next-hop

5 Técnicas de Encaminhamento Método específico da rede contra o método host-específico Default method

6 Processo de Encaminhamento No endereçamento sem classes, são necessários ao menos 4 colunas na tabela de roteamento

7 Exemplo Fazer uma tabela de roteamento para o roteador R1, usando a configuração na figura.

8 Example Tabela para R1 Forwarding process for the destination address ? Forwarding process for the destination address ?

9 Agregação de Endereços Classless aumenta o número de entradas da tabela de roteamento Para aliviar o problema, a agregação de endereço é utilizada Computer Networks

10 Matching maior da mascara

11 Roteamento Hierarquico Para resolver problema de tabelas de roteamento gigantes

12 Tabela de Roteamento Tabela de roteamento estática: criada manualmente Tabela de roteamento dinâmica: atualizada periodicamente, utilizando um dos protocolos de roteamento dinâmico como RIP, OSPF, BGP Campos comuns em uma tabela de roteamento Flag: U(up), G(gateway), H(host-specific), D(added by redirection), M(modified by redirection) Reference count: número de usuários desta rota no momento Use: o número de pacotes transmitidos através deste roteadorr para o destino correspondente

13 Utilidades Para encontrar as informações de roteamento e os conteúdos de uma tabela de roteamento netstat e ifconfig Computer Networks

14 Protocolos de Roteamento Um roteador consulta a tabela de roteamento quando um pacote está pronto para ser encaminhado A tabela de roteamento especifica o caminho ideal para o pacote: estático ou dinâmico A Internet precisa de tabelas de roteamento dinâmico para ser atualizado assim que houver uma mudança Protocolos de roteamento é uma combinação de regras e procedimentos para as tabelas de roteamento dinâmico Os protocolos de roteamento também incluem procedimentos para combinar informação recebida de outros roteadores Encaminhamento unicast e multicast routing RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First), BGP (Border Gateway Protocol)

15 Otimização Qual das rotas disponíveis é a rota ótima? Uma abordagem consiste em atribuir um custo para a passagem através de uma rede, chamada de métrica Métrica total é igual à soma das métricas de redes que compreendem o percurso O roteador escolhe a rota com menor (menor) métrica RIP (Routing Information Protocol): hop count OSPF (Open Shortest Path First): permite ao administrador atribuir um custo com base no tipo de serviço exigido BGP (Border Gateway Protocol): a política é de critério

16 Roteamento Intra e Inter Dominio AS (autonomous system): Um grupo de redes e roteadores sob a autoridade de uma única administração Roteamento Intradominio : dentro de um AS Roteamento Interdominio : entre ASs R1, R2, R3 e R4 usam roteamento intradominio e um protocolo de encaminhamento entre domínios. As outras rotas usam apenas protocolos de roteamento intradominio Computer Networks

17 Definições Básicas Sistema Autônomo (Autonomous System) Um conjunto de redes e roteadores controlados por uma única autoridade administrativa Segundo a RFC 1930 (Definição formal) Um conjunto de roteadores controlados por uma única administração técnica, usando um protocolo interior e métricas comuns para rotear pacotes dentro do AS, e usando um protocolo exterior para rotear pacotes para outros ASs. Requisito básico: uma política de roteamento única A política de roteamento define como são tomadas as decisões de roteamento na internet. 17

18 Autonomous System (AS) Conjunto de redes compartilhando a mesma política Utilizam um único protocolo de roteamento Estão sob a mesma administração técnica Exemplos de ASs Backbone da NFSnet AS 100 AS 200 AS

19 Protocolos de Roteamento (Unicast)

20 Roteamento com Vetor de Distância A rota de menor custo entre dois nós é o caminho a uma distância mínima Cada nó mantém um vetor (tabela) de distâncias mínimas para cada nó Tabela de roteamento vetor de distância

21 Roteamento com Vetor de Distância : Inicialização No início, cada nó pode saber apenas a distância entre si e os seus vizinhos imediatos

22 Roteamento com Vetor de Distância : Compartilhamento No roteamento vetor de distância, cada um de nós compartilha sua tabela de roteamento com seus vizinhos imediatos periodicamente e quando houver uma mudança

23 Roteamento com Vetor de Distância : Atualização Quando um nó recebe uma tabela com duas colunas de um vizinho, ele precisa atualizar sua tabela de roteamento Regra de atualização: Escolha o menor custo. Se a mesma, manter o antigo Se a entrada do próximo nó é o mesmo, o nó receptor escolhe a nova fila

24 Quando compartilhar Atualização periódica: Um nó envia sua tabela de roteamento, normalmente a cada 30 s Atualização disparada: um nó envia sua tabela de roteamento de duas colunas para os seus vizinhos sempre que houver uma mudança na sua tabela de roteamento Instabilidade de dois nós

25 Instabilidade de dois nós Definindo o infinito: Para redefinir o infinito para um número menor, como 100 Dividir horizonte: Em vez de inundar a tabela através de cada interface, cada nó envia apenas uma parte da sua tabela através de cada interface. Node B elimina a última linha de sua tabela de roteamento antes de envialo para A Dividir horizonte e veneno inverso: Node B ainda pode anunciar o valor de X, mas se a fonte de informação é A, pode substituir a distância com o infinito como um aviso: "Não use este valor, o que eu sei sobre esta rota vem de você. "

26 Instabilidade de 3 nós Se a instabilidade é entre três nós, a estabilidade não pode ser garantida.

27 Routing Information Protocol RIP: um protocolo de roteamento intradominio usado dentro de um AS Simples protocolo de roteamento baseado em vetor de distância A métrica é simples, uma contagem de saltos. A distância é definida como o número de ligações (redes) para chegar ao destino

28 Exemplo de atualização no RIP

29 Roteamento de Estado do Enlace Cada nó tem toda a topologia domínio, lista de nós e links, como eles estão conectados, incluindo o tipo, o custo e a condição das ligações (para cima ou para baixo) O Nó pode usar o algoritmo de Dijkstra para a construção de uma tabela de roteamento

30 Conhecimento do Estado do Enlace Cada nó tem um conhecimento parcial: o estado (tipo, condição e custo) de seus links. Toda a topologia pode ser compilada a partir do conhecimento parcial de cada nó

31 Construção da Tabela de Roteamento 1. Criação dos estados das ligações por cada nó, o chamado pacote de estado de link (LSP) 2. Divulgação de LSP para qualquer outro roteador, chamado de flooding, de forma eficiente e confiável 3. Formação de uma árvore de caminho mais curto para cada nó 4. Cálculo de uma tabela de encaminhamento baseada na árvore de caminho mais curto Criação do LSP LSP contém a identidade do nó, a lista de links (para fazer a topologia), número de seqüência (para facilitar os floodings e distinguir novos LSPs de antigos LSP são gerados (1), quando há uma alteração na topologia do domínio, (2), numa base periódica, normalmente 60 min ou 2 h

32 Construindo a Tabela de Roteamento Flooding de LSPs O nó criador envia uma cópia do LSP de cada interface Um nó compara com a cópia que já pode ter. Se o LSP recém-chegado é mais velho do que aquele que tem, ele descarta o LSP. Se ele é mais recente, 1. Descarta o velho LSP e mantém o novo 2. Ele envia uma cópia de cada interface, exceto o de que o pacote chegou Formação da árvore de caminho mais curto: Algoritmo de Dijkstra Depois de receber todos os LSPs, cada nó terá uma cópia de toda a topologia. Precisa encontrar o caminho mais curto para todos os outros nós O algoritmo de Dijkstra cria uma árvore de caminho mais curto a partir de um gráfico

33 Algoritmo de Dijkstra

34 Exemplo do Algoritmo de Dijkstra

35 Tabela de Roteamento Cada nó utiliza o protocolo de árvore de caminho mais curto para a construção de sua tabela de roteamento A tabela de roteamento mostra o custo de alcançar cada nó da raiz

36 Open Shortest Path First (OSPF) Popular intradominio de roteamento baseado no estado do enlace Para lidar com o roteamento de forma eficiente e em tempo hábil, OSPF divide um sistema autônomo em áreas Área é uma coleção de rede, hosts e roteadores todos contidos dentro de um AS Um AS também pode ser dividido em diversas áreas Gateway de borda de área, router backbone, link virtual Computer Networks

37 Métrica O OSPF permite ao administrador atribuir um custo, chamado de métrica, para cada rota A métrica pode ser baseada num tipo de serviço (atraso mínimo, o rendimento máximo e assim por diante)

38 Enlace Ponto a Ponto Para conectar dois roteadores sem qualquer outro host ou roteador entre eles Transient Link Uma rede com vários roteadores conectados a ela

39 Stub Link Stub link é uma rede conectada para um único roteador Virtual Link Virtual link created for broken link by administrator

40 Representação Gráfica da Internet

41 Roteamento Vetor de Caminho Roteamento com vetor de distância o está sujeito a instabilidade, se houver mais do que uns poucos saltos domínio de operação Roteamento de estado do enlace precisa de uma enorme quantidade de recursos para calcular tabelas de roteamento. Ele também cria tráfego pesado por causa do flooding Necessidade de um terceiro algoritmo de roteamento entre domínios de roteamento, chamado de vetor de caminho Vetor de Caminho de roteamento é semelhante ao vetor de distância de roteamento Mas, só o nó alto-falante cria uma tabela de roteamento e anuncialo para nós de alto-falante em cada AS Um nó falante anuncia o caminho, e não a métrica dos nós

42 Path Vector Routing: Inicialização

43 Path Vector Routing: Compartilhamento e Atualização Compartilhamento: Como vector distância, um nó falante compartilha sua tabela com vizinhos imediatos Atualizando: Quando um nó falante recebe uma tabela com duas colunas de um vizinho, ele atualiza sua própria tabela loop prevenção política de roteamento Caminho ótimo

44 Border Gateway Protocol (BGP) Interdominio uando roteamento vetor de caminho Tipos de Sistemas Autonomos (ASs) Stub AS: somente uma conex!ao com outro AS Multihomed AS: mais de uma conexão para outros AS, mas uma única fonte ou sink para tráfego de dados Transit AS: um AS de hospedagem múltipla (multihomed) que também permite tráfego de transigo Atributo de caminho Atributo bem conhecido Atributo bem conhecido e mandatório: ORIGIN (source of the routing information) AS_PATH (the list of ASs) NEXT-HOP(the next router) Atributo discrecional Atributo opcional Atributo opcional transitivo Atributo opcional não transitivo

45 Sessões BGP A sessão é uma conexão entre roteadores BGP para a troca de informações Para criar um ambiente de confiança, o BGP utiliza os serviços de TCP como conexões semipermanentes External and internal BGP E-BGP sessions: utilizado para troca de informações entre os dois nós falantes que pertencem a dois ASs diferentes I-BGP sessions: utilizado para troca de informações entre dois roteadores dentro de um AS

46 Unicasting Em unicasting, o roteador encaminha o pacote recebido por apenas uma das suas interfaces

47 Multicasting Em multicast, o roteador pode encaminhar o pacote recebido através de várias das suas interfaces. Broadcasting é um caso especial de multicasting

48 Multicasting vs. Unicasting Múltiplo Emulação de multicast através unicasting múltipla não é eficiente e pode criar atrasos, especialmente com um grande grupo

49 Unicast X Multicast Unicast Host Multicast Host Unicast X Multicast 1

50 Características RFC 1112 Cada grupo é identificado por um endereço classe D Membros de um grupo podem estar em qualquer lugar da internet Membros podem entrar e sair dos grupos indicando isto aos roteadores Roteadores utilizam protocolos de roteamento multicast para gerenciar os grupos Características 3

51 Difusão Selectiva A Difusão Selectiva (Multicast) é um mecanismo de transferência de dados dum Originador para um grupo de máquinas na rede para comunicação multiponto para multiponto. Este grupo de máquinas tem que se juntar explcitamente ao grupo para receber a informação. Cada grupo é identificado por um endereço IP Classe D.

52 Aplicações de Multicasting Acesso a bancos de dados distribuídos Disseminação da informação Divulgação de notícias Teleconferência Ensino a distância

53 Endereçamento Os grupos utilizam a classe D até Endereços reservados até para a IANA até para utilização em domínios privados de multicast Endereços livres até utilizado por AS Características 4

54 IP Multicast Grupo de hosts Nível de Rede - altera somente endereçamento Roteadores precisam rotear endereços IP de multicast

55 Endereço Endereço especial: (classe D) até bits milhões de grupos x: redes locais somente todos os hosts todos os roteadores x.x para multimídia TTL: 0 para hosts e 1 para rede

56 Endereço Todos os 32 bits do endereço IP que começam com 1110 (classe D) são endereços de multicast. Com os 28 bits restantes para endereçar os grupos, mais de 250 milhões de endereços estão disponíveis. Alguns desses endereços são assumidos permanentemente. Um endereço multicast pode ser usado somente como endereço destino.

57 Endereço Exemplo de endereço IP de Multicast Classe D Endereço Multicast Endereços de Escopo Global até Podem ser utlizados para multicast entre organizações e para a Internet Endereços de Escopo Local até Podem ser utilizados para grupos locais

58 Endereço Físico Um endereço físico Ethernet possui 6 bytes. Se os primeiros 25 bits desse endereço são , o endereço define um endereço multicast físico para o protocolo TCP/IP. Prefixo do Endereço Ethernet: E Os 23 bits restantes podem ser usados para definir um grupo.

59 Extensões para Tratamento de Multicast Os datagramas IP de difusão seletiva recebidos são recebidos pelos protocolos do módulo superior utilizando a mesma operação recepção que os datagramas unicast A seleção do protocolo do nível superior é baseada no campo protocol do cabeçalho IP, independente do campo destination address

60 Extensões... A participação em um grupo, pelo host origem da mensagem deve ser explicitamente solicitada. A interface de serviço IP deve ser estendida para fornecer duas novas operações JoinHostGroup (group-address, interface) LeaveHostGroup (group-address, interface)

61 Extensões... A operação JoinHostGroup requisita que este host torne-se membro do grupo identificado pelo group-address na interface de rede especificada A operação LeaveHostGroup solicita que a estação deixe de pertencer ao grupo identificado pelo group-address na interface de rede indicada

62 Extensões... É permitido participar de um mesmo grupo utilizando mais de uma interface, o que resultará em recebimento de datagramas duplicados O módulo IP deve ser estendido para manter uma lista dos membros dos grupos associados a cada interface de rede

63 Extensões... Datagramas que chegam destinados para grupos que o host não pertence que pertencem a uma interface diferente da recebida; ou, que possuem um endereço de grupo IP no campo IP source address são descartados sem gerar nenhuma notificação de erro Não são geradas mensagens ICMP de erro

64 Roteamento em uma LAN Um roteador conectado em uma LAN tem uma lista dos endereços de multicast dos grupos para o qual há no mínimo um membro. Quando o roteador recebe um pacote com um endereço de destino que combina com um na lista, ele segue adiante a mensagem, convertendo o endereço multicast IP para o endereço multicast físico.

65 IGMP O IGMP foi projetado para ajudar um roteador multicast a identificar os hosts numa LAN que são membros de um grupo multicast. O IGMPv1 tem somente dois tipos de mensagens: report: é enviada do host para o roteador query: é enviada do roteador para o host. 0 VERS 8 4 TYPE 16 UNUSED GROUP ADDRESS 31 CHECKSUM

66 Campos da Mensagem Onde: Ver: define a versão do protocolo. Type: define o tipo de mensagem; 1 para mensagens de query 2 para mensagens de report. Checksum: usado para controle de erro. Group address: define o endereço do grupo numa mensagem de report. Este é preenchido com 0s na mensagem de query.

67 Mensagens IGMPv1 2 Group address Entrando num grupo Host Roteador Query 1 All 0s Monitorando o grupo Host Roteador Report 2 Host Group address Continuando no grupo Roteador No response to query Saindo de um grupo Host Roteador

68 Entrando em um Grupo Cada host mantém uma lista de processos com os membros do grupo. Quando um processo quer se juntar a um novo grupo, ele envia seu pedido para o host. O host irá adicionar o nome do processo e o nome do grupo requisitado em sua lista. Contudo, o host somente envia o report do IGMP para o roteador de multicast se este for o primeiro pedido para se tornar um membro naquele grupo.

69 Monitoração do Grupo Um roteador de multicast é responsável por monitorar todos os hosts numa LAN para ver se eles querem continuar sendo membro do grupo. O roteador periodicamente envia uma mensagem de query para o endereço multicast Nesta mensagem, o campo de endereço de grupo é setado para

70 Monitorando... Isso significa que a consulta para continuar sendo membro é para todos os grupos que um host está envolvido. O roteador espera uma resposta para cada um desses grupos.

71 Mantendo o Grupo O host mantém uma lista de processos dos grupos que deseja continuar membro. Quando um host recebe um query, ele verifica essa lista. Para cada grupo com no mínimo um processo ainda interessado em continuar no grupo, o host deve enviar um report.

72 Saindo do Grupo Quando um host recebe uma query e acha que não há mais nenhum processo interessado no grupo, ele não responde e não envia o report sobre aquele grupo. Se nenhum host numa LAN envia um report para um grupo específico, o endereço daquele grupo é retirado, depois de um timeout, da lista de endereço de multicast do roteador.

73 Árvores de Distribuição Roteadores criam árvore de distribuição que permitem controlar o caminho do tráfego multicast Dois tipos básicos Source Trees Shared Trees

74 Multicast tree Objetivos: Cada membro do grupo deve receber um, e somente um, cópia do pacote multicast. Um não-membro não deve receber uma cópia Não deve haver loops no roteamento O caminho percorrido a partir da fonte para cada destino deve ser o ideal Em uma abordagem baseada em árvore fonte, a combinação da fonte e do grupo determina a árvore (DVMRP, MOSPF, PIM-DM) Na abordagem árvore grupo compartilhado, o grupo determina a árvore(cbt, PIM-SM)

75 Source Trees Forma mais simples Raíz da árvore é a origem do tráfego Calcula-se uma Spanning Tree até os receptores Essa árvore usa o menor caminho para atingir o destino Conhecida também como Shortest Path Tree (SPT) Notação: (S, G) Onde, S é o IP do fonte e G é o endereço do Grupo Existe uma árvore para cada par (S, G)

76 Shared Tree Usam uma única origem como Raíz da árvore Esta raíz é chamada Redenvouz Point (RP) Nesta árvore, os hosts enviam o seu tráfego multicast para a Raíz, e esta redistribui o tráfego para os demais nodos da árvore Notação: (*, G) Onde, * = diversos fontes, G o grupo Source Trees e Shares Trees não apresentam situações de loop

77 Árvores de difusão Centradas nas fontes (Reverse Shortest Path Trees) Notação: (S, G) com S = source e G = Grupo S1 RP R R R R

78 Árvores de difusão Partilhadas (centradas num RendezVous Point ) (Shared Trees) Notação: (*, G) com * = todas as fontes e G = grupo S1 RP R R R R

79 Comparação SPT tem a vantagem de criar um caminho ótimo para alcançar os destinos Isto garante uma baixa latência para o roteamento dos pacotes na rede No entanto, os roteadores devem manter informações sobre o caminho para cada fonte Em uma rede grande, logo torna-se um problema devido ao consumo dos recursos do roteador Shared Trees mantém poucas informações de estado em cada roteador. Desvantagem? Existência de caminhos não otimizados

80 Multicast Routing Optimal routing: Shortest path trees Unicast Routing Cada roteador no domínio tem uma tabela que define uma árvore de caminho mais curto para possíveis destinos

81 Shortest Path Tree Multicast Routing Cada roteador envolvido precisa construir uma árvore de caminho mais curto para cada grupo Árvore baseada na fonte e de Árvore de Grupo Compartilhado Na abordagem baseada em árvore fonte, cada roteador precisa ter uma árvore de caminho mais curto para cada grupo

82 Shortest Path Tree Na abordagem da árvore grupo-compartilhada, apenas o núcleo do router, que tem uma árvore de caminho mais curto para cada grupo, está envolvida no multicasting

83 Protocolos de Multicast

84 Multicast Link State Routing: MOSPF Roteamento Multicast pelo estado do enlace utiliza a abordagem baseada em árvore fonte n (o número de grupo) topologias e n mais árvores caminho mais curto são feitas Cada roteador tem uma tabela de roteamento que representa o maior número de árvores do caminho mais curto, pois há grupos MOSPF é uma extensão do protocolo OSPF que usa o estado do link de roteamento de multicast para criar árvores baseadas na fonte MOSPF requer um novo pacote de estado do enlace para associar o endereço unicast de um host com o endereço do grupo que o host está patrocinando MOSPF é um protocolo orientado a dados, a primeira vez que um roteador MOSPF ver um datagrama com uma determinada fonte e endereço do grupo, o roteador constrói o caminho mais curto com base no algoritmo de Dijkstra

85 Multicast Distance Vector: DVMRP O Roteamento Multicast por vector distância utiliza as árvores baseadas na fonte, mas o roteador nunca realmente faz uma tabela de roteamento Roteamento Multicast não permite que um roteador envie sua tabela de roteamento para seus vizinhos. A idéia é criar uma tabela a partir do zero usando as informações das tabelas vetor distância unicast Processo com base em quatro estratégias de tomada de decisão. Cada estratégia é construída sobre o seu antecessor Flooding Reverse Path Forwarding (RPF) Reverse Path Broadcasting (RPB) Reverse Path Multicasting (RPM)

86 DVMRP- Distance Vector Multicast Routing Protocol Similar ao RIP Roteadores de multicast trocam mensagens de atualização do vetor distância contendo uma lista destinos e seus custos. Custos (métricas) são o número de roteadores (saltos) Destinos: IP + máscara Mensagens de atualização DVRMP são enviadas para todos os túneis a partir do roteador.

87 DVMRP: Estratégia Flooding divulga pacotes, mas cria loops nos sistemas Reverse path forwarding: RPF elimina o loop no processo de flooding

88 DVMRP: Estratégias Reverse path broadcasting: RPB cria uma árvore de transmissão caminho mais curto a partir da fonte para cada destino. Isto garante que cada destino recebe uma e apenas uma cópia do pacote Problema com o RPF Computer Networks

89 DVMRP: Estratégias Reverse path multicasting: RPM poda/inseire para RPB para criar uma árvore de caminho mais curto multicast que suporta alterações de associação dinâmicas Computer Networks

90 Core-Based Tree (CBT) CBT é um protocolo de grupo-compartilhado que usa um núcleo como a raiz da árvore AS é dividido em regiões, e um núcleo (centro router ou roteador encontro) é escolhido para cada região Cada roteador envia uma mensagem join unicast para um roteador encontro Quando o roteador encontro recebeu todas as mensagens de junção de cada membro do grupo, a árvore é formada Computer Networks

91 Enviando Pacotes Multicast A fonte envia o pacote multicast (encapsulado em um pacote unicast) para o roteador de core. O roteador de core desencapsula o pacote e encaminha para todos os hosts interessados. Cada roteador que recebe o pacote multicast, por sua vez, encaminha-lo para todas as portas interessados

92 Protocol Independent Multicast (PIM) PIM-DM (Dense Mode) e PIM-SM (Sparse Mode) PIM-DM é usado em um ambiente multicast denso, por exemplo uma LAN PIM-DM é um protocolo de roteamento baseado em árvore fonte que usa RPF e estratégias de poda/inserção para multicasting. No entanto, é independente do protocolo unicast subjacente. PIM-SM é usado em ambientes multicast esparsos tais como em uma WAN PIM-SM é um protocolo de encaminhamento do grupo compartilhado que tem um ponto de encontro como a fonte da árvore PIM-SM é similar ao CBT mas usa um procedimento mais simples

93 MBONE - Multicast Backbone Overlay network empregada na Internet para teste de tráfego multicast 2 tipos de redes: aquelas que suportam apenas broadcast global, e neste caso um pacote de multicast será enviado para todas as máquinas aquelas que suportam grupos de endereços: grupos de multicast importante é que seja enviado apenas um pacote!

94 MBONE roteamento em multicast era apenas experimental MBONE teste túnel para interligar ilhas de multicast configuração de software nos hosts lista de roteadores de multicast configurados envio dos pacotes é encapsulado DVMRP - calculo das rotas

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