Redes de computadores e a Internet. Capitulo4. Capítulo. A camada de rede

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1 Redes de computadores e a Internet Capitulo Capítulo A camada de rede

2 Pilha de protocolos da Internet M Aplicação Ht M Transporte Hr Ht M Rede Hr Ht M Enlace Mensagem Segmento Datagrama Quadro He Física HTTP, SMTP, FTP, DNS UDP, TCP IP

3 A camada de rede -.1 Introdução -.2 Circuito virtual e redes de datagrama -.3 O que há dentro de um roteador -. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

4 A camada de rede - Transporta segmentos do hospedeiro transmissor para o receptor - No lado transmissor encapsula os segmentos em datagramas - No lado receptor, entrega os segmentos à camada de transporte - Protocolos da camada de rede em cada hospedeiro, roteador - Roteador examina campos de cabeçalho em todos os datagramas IP que passam por ele

5 Funções-chave da camada de rede - Comutação: mover pacotes da entrada do roteador para a saída apropriada do roteador - Roteamento: determinar a rota a ser seguida pelos pacotes desde a origem até o destino - Algoritmos de roteamento Analogia: - Roteamento: processo de planejar a viagem da origem ao destino - Comutação: processo de passar por um determinado caminho

6 Interação entre roteamento e comutação Qual caminho?

7 Estabelecimento de conexão - 3a função importante em algumas arquiteturas de rede: - ATM (Asynchronous Transfer Mode), Frame Relay, X.25 - Antes do fluxo de datagramas, dois hospedeiros e os devidos roteadores estabelecem uma conexão virtual - Roteadores são envolvidos - Serviço de conexão da camada de rede e de transporte: - Rede: entre dois hospedeiros - Transporte: entre dois processos

8 Modelo de serviço de rede P.: Como escolher o modelo de serviço para o canal de transporte de datagramas do transmissor ao receptor? Exemplo de serviços para datagramas individuais: - Garantia de entrega - Garantia de entrega com menos do que 0 ms de atraso Exemplo de serviços para um fluxo de datagramas: - Entrega em ordem dos datagramas - Garantia de uma banda mínima para o fluxo - Restrições em mudanças no espaçamento entre pacotes

9 Modelos de serviço da camada de rede Arquitetura Modelo de de rede serviço Internet ATM melhor esforço CBR ATM VBR ATM ABR ATM UBR Parâmetros garantidos Banda Perda Ordem Tempo não não não não taxa constante taxa garantida mínimo garantido não sim sim sim sim sim sim não sim não não (examina perdas) não há congestão não há congestão sim não sim não não - Novos serviços na Internet: Intserv, Diffserv Realim. de congestão

10 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

11 Camada de rede: serviços de conexão e sem-conexão - Redes de datagrama provêm serviços sem-conexão na camada de rede - Redes de circuito virtual provêm serviços de conexão na camada de rede - Análogo aos serviços da camada de transporte, mas: - Serviço: hospedeiro-a-hospedeiro - Sem escolha: a rede provê um ou outro - Implementação: no núcleo

12 Circuitos Virtuais (VC) A ligação entre a origem e o destino simula uma ligação telefônica - Orientado ao desempenho - A rede controla a conexão entre a origem e o destino - Estabelecimento da conexão deve preceder o envio de dados. Liberação da conexão após os dados. - Cada pacote transporte um identificador do CV, não transporta o endereço completo do destino - Cada roteador na rota mantém informação de estado para conexão que passa por ele. - O link e os recursos do roteador (banda, buffers) podem ser alocados por VC

13 Implementação de VC Um VC consiste de: 1.Caminho da origem até o destino 2.Números de VC, um número para cada link ao longo do caminho 3.Entradas em tabelas de comutação em roteadores ao longo do caminho - Pacotes pertencentes a um VC carregam um número de VC. - O número de VC deve ser trocado em cada link. - Novos números de VC vêm da tabela de comutação

14 Tabela de comutação Tabela de comutação no roteador R1 nterface de entrada VC # de entrada Interface de saída VC # de saída

15 Protocolos de sinalização - Usado para estabelecer, manter e encerrar circuitos virtuais - Usados em ATM, Frame-Relay e X.25 - Não é usado na Internet atualmente

16 Redes de datagrama - Não existe estabelecimento de conexão na camada de rede - Roteadores: não existe estado sobre conexões fim-a-fim - O conceito conexão não existe na camada de rede - Pacotes são encaminhados pelo endereço do hospedeiro de destino - Pacotes para o mesmo destino podem seguir diferentes rotas

17 Datagrama x circuito virtual Internet - Dados trocados entre computadores - Serviço elástico, requisitos de atraso não críticos - Sistemas finais inteligentes - Podem adaptar-se, realizar controle e recuperação de erros - A rede é simples; a complexidade fica nas pontas - Muitos tipos de enlaces - Características diferentes - Difícil obter um serviço uniforme ATM - Originário da telefonia - Conversação humana: - Tempos estritos, exigências de confiabilidade - Necessário para serviço garantido - Sistemas finais burros - Telefones - Complexidade dentro da rede

18 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

19 Visão geral da arquitetura do roteador

20 Visão geral da arquitetura do roteador Routers for Small, Midsized and Large Businesses

21 Visão geral da arquitetura do roteador

22 Visão geral da arquitetura do roteador

23 Visão geral da arquitetura do roteador Duas funções-chave do roteador: - Executar algoritmos/protocolos (RIP, OSPF, BGP) - Comutar os datagramas do link de entrada para o link de saída

24 Funções da porta de entrada Terminaçã o de linha Processamento de enlace (protocolo, desencapsulament o) Elementos de Comutação Camada física: recepção de bits Camada de enlace: ex.: Ethernet Comutação descentralizada: - Dado o destino do datagrama, procura a porta de saída usando a tabela de comutação na memória da porta de entrada - Objetivo: completar o processamento da porta de entrada na velocidade da linha - Fila: se os datagramas chegam mais rápido do que a taxa de comutação

25 Três tipos de estrutura de comutação

26 Processador de roteamento Realiza as funções da camada de rede: - Endereço de destino; Determinação do próximo salto (TABELA DE ROTEAMENTO); Comutação; Porta de saída.

27 Portas de saída Elementos de Comutação Processamento de enlace (protocolo, desencapsulament o) Terminaçã o de linha Realiza as mesmas funções da porta de entrada, mas na ordem inversa: - Buffering necessário quando datagramas chegam do switch mais rápido do que a taxa de transmissão - Disciplina de agendamento escolhe entre os datagramas na fila para transmissão

28 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

29 A camada de rede Entidade de rede em roteadores ou hospedeiros: Camada de Transporte: TCP, UDP Camada de rede protocolo de roteamento - Escolha de caminhos - RIP, OSPF, BGP Tabela de rotas protocolo IP - Endereçamento - Formato dos datagramas - Tratamento de pacotes protocolo ICMP - Aviso de erros - Sinalização de rotas Camada de enlace Camada física

30 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

31 Formato do datagrama IP versão do protocolo IP tamanho do header (bytes) (Type of Service) classe de serviço número máximo de saltos protocolo da camada superior 32 bits ver head. TOS len length fragment 16-bit identifier flgs offset TTL protocol Internet checksum 32 bit endereço IP de origem 32 bit endereço IP de destino Opções (se houver) data (tamanho variável, tipicamente um segmento TCP ou UDP) tamanho total do datagrama (bytes) para fragmentação/ remontagem Fragment offset (múltiplo de 8 bytes) Soma de verificação do cabeçalho Ex.: marca de tempo,registro de rota lista de roteadores a visitar.

32 Cabeçalho datagrama IP

33 Campos cabeçalho IP Comprimento do datagrama 57 bytes IP Source IP Destination Comprimento do cabeçalho 20 bytes Internet Control Message Protocol (ICMP) Transmission Control Protocol (TCP) User Datagram Protocol (UDP) Open Shortest Path First (OSPF) Version

34 Type of Service Procedência rsvd 0 Valores de precedência exemplo 1 Tipo de Serviço 2 3 Valores de tipo de serviço exemplo 0 Rotina 0 Serviço normal 1 Dados com prioridade 1 Minimizar atraso 2 Entrega imediata exigida 2 Maximizar vazão 5 Crítico 8 Minimizar custo rsvd: reservado Fonte: FARREL (2005).

35 Formato do datagrama IP

36 IP fragmentação e remontagem - Enlaces de rede têm MTU (Maximum Tansmission Unit) corresponde ao maior frame que pode ser transportado pela camada de enlace. - Tipos de enlaces diferentes possuem MTU diferentes (ex: Ethernet bytes) - Datagramas IP grandes devem ser divididos dentro da rede (fragmentados) - Um datagrama dá origem a vários datagramas - remontagem ocorre apenas no destino final - O cabeçalho IP é usado para identificar e ordenar datagramas relacionados

37 Fragmentação e remontagem IP Fragmento Flag Bytes ID Deslocamento Fragmento Tamanho ID Flag Deslocamento Fragmentos 0 precisam ser reconstruídos antes que cheguem à camada de transporte (UDP e TCP) - Projetistas do IPv: reconstrução do datagrama no roteadores introduziria atraso - Princípio da simplicidade do núcleo da rede: tarefa de reconstrução do datagrama atribuída aos sistema final

38 IP fragmentação e remontagem - Exemplo - datagrama de 000 bytes - MTU = 1500 bytes 180 bytes no campo de dados offset = 180/8 tamanho ID fragflag offset =000 =x =0 =0 Um grande datagrama se torna vários datagramas menores tamanho ID fragflag offset =1500 =x =1 =0 tamanho ID fragflag offset =1500 =x =1 =180 tamanho ID fragflag offset =100 =x =0 =2960

39 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

40 Endereçamento IP: Introdução - Endereço IP: identificador de 32 bits para interfaces de roteadores e hospedeiros - Interface: conexão entre roteador ou hospedeiro e enlace físico - Roteador tem tipicamente múltiplas interfaces - Hospedeiros podem ter múltiplas interfaces - Endereços IP são associados com interfaces, não com o hospedeiro ou com o roteador = Notação decimal separada por ponto 2005 by Pearson Education 1 1 1

41 Endereço IP Endereço único Um endereço IP é um número binário de 32 bits único atribuído a um host e usado para toda a comunicação com este. (Comer, 2007)

42 Endereço IP Prefixo e sufixo Cada endereço IP de 32 bits é dividido em duas partes: prefixo e sufixo. - Prefixo: identifica a rede física (NetID) - Sufixo: identifica o computador da rede (HostID) Propriedades - a cada computador é atribuído um endereço único - o número de rede é coordenado globalmente - os sufixos poder ser atribuídos localmente

43 Sub-redes - Endereço IP - Parte da sub-rede (bits de ordem superior) - Parte do hospedeiro (bits de ordem inferior) - Máscara de Rede e Notação de Prefixo ou / ou / ou /8 rede consistindo de 3 sub-redes

44 Endereço Classfull - conhecido como endereçamento IP de classes (classfull IP Addressing) - convenção utilizada nos protocolos TCP/IP - Classe A - Classe B Classes primárias - Classe C - Classe D Multicast - Classe E Reservado Identificação de Classe 1 1o. 1o.bit? bit? 0 Classe ClasseAA 1 2o. 2o.bit? bit? 0 Classe ClasseBB 1 3o. 3o.bit? bit? 0 Classe ClasseCC o. o.bit? bit? 11 0 Classe ClasseDD Classe ClasseEE

45 Sub-redes Quantas?

46 Endereçamento IP: CIDR - CIDR: Classless InterDomain Routing - A porção de endereço de rede tem tamanho arbitrário - Formato do endereço: A.B.C.D/x, em que x é o número de bits na parte de rede do endereço parte de hospedeiro parte de rede /23

47 Máscara de Rede Definição É um número binário de 32 bits que produz o endereço da rede quando ela é aplicada, através do processo de AND lógico, ao endereço do host. Tipos Máscara default ou padrão: máscara natural da classe Máscara não default: utilizadas na geração de subnet ou supernet Máscara padrão Classe Bits da rede A 8 B 16 C 2 Em binário Decimal com ponto Notação de prefixo / / /2

48 Lógica Booleana A lógica booleana é uma lógica binária que permite a comparação de dois números e a geração de uma escolha baseada nos dois números, com exceção do NOT. A lógica booleana baseiase em circuitos digitais que aceitam uma ou duas voltagens de entrada. Exemplo: realizar a operação lógica AND entre o endereço com a máscara padrão

49 Como obter um endereço IP P.: Como um hospedeiro obtém endereço IP? Definido pelo administrador do sistema DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: obtém dinamicamente endereços IP de um servidor

50 Como obter um endereço IP P.: Como uma rede obtém a parte de sub-rede do endereço IP? R.: obtém a porção alocada no espaço de endereço do seu provedor ISP bloco do ISP /20 Organização /23 Organização /23 Organização /23... Organização /

51 Endereçamento IP: a última palavra P.: Como o ISP obtém seu bloco de endereço? R.: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers - Aloca endereços - Gerencia DNS - Atribui nomes de domínios e resolve disputas

52 DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol [RFC 2131 e 2132] Protocolo de alocação dinâmica de endereços IP, que atribuir endereço para um equipamento de rede de três formas (RNP, 1999): Configuração manual: Neste caso, é possível atrelar um endereço IP a uma determinada máquina na rede. Para isso, é necessária a associação de um endereço existente no banco do servidor DHCP ao endereço MAC do adaptador de rede da máquina. Configuração automática: Nesta forma, o servidor DHCP é configurado para atribuir um endereço IP a um equipamento por tempo indeterminado. Quando este conecta-se pela primeira vez na rede, lhe é atribuído um endereço permanente. A diferença existente entre esta e a primeira configuração é que nesta não é necessária uma especificação do equipamento que utilizará determinado endereço. Ele é atribuído de forma automática. Configuração dinâmica: Neste tipo de configuração, é que reside a característica principal do DHCP. Desta forma o endereço IP é locado temporariamente a um equipamento e periodicamente, é necessária a atualização dessa locação. Com essa configuração, é possível ser utilizado por diferentes equipamentos, em momentos diferentes, o mesmo endereço IP. Basta, para isso, que o primeiro a locar o endereço, deixe de utilizá-lo. Quando o outro equipamento solicitar ao servidor DHCP um endereço IP poderá ser fornecido ao mesmo o endereço deixado pelo primeiro.

53 NAT - Network Address Translation RFC 1918 Addrress Allocation for Private Internet -Conjunto de redes que nunca serão atribuídas a nenhuma empresa como número de rede registrado -Uso nas redes privadas que não tenha conectividade com a Internet -Endereços não roteáveis na rede pública Faixa de endereços IP a a a Classe das redes Número de redes A 1 B 16 C 256

54 NAT - Network Address Translation resta da Internet rede local (ex.: rede doméstica) / todos os datagramas que saem da datagramas com origem ou destino rede local possuem o mesmo e único nesta rede possuem endereço endereço IP do NAT de origem: /2 para origem, destino , (usualmente) números diferentes de portas de origem

55 NAT - Network Address Translation Motivação: redes locais podem utilizar apenas um endereço IP - Não é preciso alocar uma gama de endereços do ISP: apenas um endereço IP é usado para todos os dispositivos - Podem-se alterar os endereços dos dispositivos na rede local sem precisar notificar o mundo exterior - Pode-se mudar de ISP sem alterar os endereços dos dispositivos na rede local - Dispositivos da rede local não são explicitamente endereçáveis ou visíveis pelo mundo exterior (um adicional de segurança).

56 NAT - Network Address Translation Implementação: o roteador NAT deve: Datagramas que saem: substituir (endereço IP de origem, porta #) de cada datagrama para (endereço IP do NAT, nova porta #)... clientes/servidores remotos responderão usando (endereço IP do NAT, nova porta #) como endereço de destino. Lembrar (na tabela de tradução do NAT) cada (endereço IP de origem, porta #) para o par de tradução (endereço IP do NAT, nova #). Datagramas que chegam: substituir (endereço IP do NAT, nova porta nos campos de destino de cada datagrama pelos correspondentes (endereço IP de origem, porta #) armazenados da tabela NAT porta #)

57 NAT - Network Address Translation 2: roteador NAT substitui end. origem do datagram de , 335 para , 5001, atualiza a tabela 3: resposta chega endereço de destino: , : hospedeiro envia datagrama para , 80 : roteador NAT substitui o endereço de destino do datagrama de , 5001 para , 335

58 NAT - Network Address Translation Campo número de porta com 16 bits: conexões simultâneas com um único endereço de LAN - A escassez de endereços deveria ser resolvida pelo IPv6

59 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

60 ICMP: Internet Control Message Protocol [RFC792] - Usado por computadores e roteadores para troca de informação de controle da camada de rede - Error reporting: hospedeiro, rede, porta ou protocolo - Echo request/reply (usado pela aplicação ping) - Transporte de mensagens: - Mensagens ICMP transportadas em datagramas Ip - ICMP message: tipo, código, mais primeiros 8 bytes do datagrama IP que causou o erro Tipo Código descrição 0 echo reply (ping) 0 dest. network unreachable 1 dest host unreachable 2 dest protocol unreachable 3 dest port unreachable 6 dest network unknown 7 dest host unknown 0 source quench (congestio control - not used) 0 echo request (ping) 0 route advertisement 0 router discovery 0 TTL expired 0 bad IP header

61 Traceroute e ICMP - O transmissor envia uma série de segmentos UDP para o destino - O 1o possui TTL = 1 - O 2o possui TTL = 2 etc. - Quando o enésimo datagrama chega ao enésimo roteador: - O roteador descarta o datagrama - E envia à origem uma mensagem ICMP (type 11, code 0) - A mensagem inclui o nome do roteador e o endereço IP - Quando a mensagem ICMP chega, a origem calcula o RTT - O traceroute faz isso três vezes - Critério de interrupção - O segmento UDP finalmente chega ao hospedeiro de destino - O destino retorna o pacote ICMP hospedeiro unreachable (type 3, code 3) - Quando a origem obtém esse ICMP, ela pára.

62 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

63 Cabeçalho IPv6 - Motivação inicial: o espaço de endereços de 32 bits está próximo de ser completamente alocado. - Motivação adicional - Melhorar o formato do header para permitir maior velocidade de processamento e de transmissão - Mudanças no header para incorporar mecanismos de controle de QOS - Formato do datagrama IPV: - Cabeçalho fixo de 0 bytes - Não é permitida fragmentação

64 Cabeçalho IPv6 Priority: permitir definir prioridades diferenciadas para vários fluxos de informação Flow label: identifica datagramas do mesmo fluxo. (conceito de fluxo não é bem definido). Next header: identifica o protocolo da camada superior ou um header auxiliar

65 Outras mudanças do IPv - Checksum: removido inteiramente para reduzir o tempo de processamento em cada salto - Options: são permitidas, mas são alocadas em cabeçalhos suplementares, indicados pelo campo Next header - ICMPv6: nova versão de ICMP - Tipos de mensagens adicionais, ex.: Packet Too Big - Funções de gerenciamento de grupos multicast

66 Transição do IPv para IPv6 - Nem todos os roteadores poderão ser atualizados simultaneamente - Não haverá um dia da vacinação - Como a rede irá operar com roteadores mistos de IPV e IPV6? - Tunelamento: IPv6 transportado dentro de pacotes IPv entre roteadores IPv

67 Tunelamento

68 Documentação RFC DNS Extensions to Support IP version 6 RFC Path MTU Discovery for IP version 6 RFC RIPng for IPv6 RFC OSPF Version 2 RFC IP Version 6 Addressing Architecture RFC An Aggregatable Global Unicast Address Format RFC Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification RFC Neighbor Discovery for IP Version 6 (IPv6) RFC IPv6 Stateless Address Autoconfiguration RFC Internet Control Message Protocol (ICMPv6) for the Internet Protocol Version 6 (IPv6) Specification RFC 26 - Transmission of IPv6 Packets over Ethernet Networks RFC Transmission of IPv6 Packets over FDDI Networks RFC IP Version 6 over PPP RFC Generic Packet Tunneling in IPv6 Specification RFC 27 - Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv and IPv6 Headers RFC An Architecture for Differentiated Services Framework RFC IPv6 over ATM Networks RFC Use of BGP- Multiprotocol Extensions for IPv6 Inter-Domain Routing RFC Transmission of IPv6 Packets over Frame Relay Networks Specification RFC Assured Forwarding PHB RFC An Expedited Forwarding PHB RFC A Single Rate Three Color Marker RFC A Two Rate Three Color Marker RFC OSPF for IPv6 RFC Stateless IP/ICMP Translation Algorithm (SIIT) RFC Network Address Translation-Protocol Translation (NAT-PT) RFC Multiprotocol Extensions for BGP- RFC Transition Mechanisms for IPv6 Hosts and Routers RFC Connection of IPv6 Domains via IPv Clouds

69 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

70 Interação entre roteamento e comutação Qual o melhor caminho?

71 Abstração do gráfos Gráfo: G = (N,E) N = conjunto de roteadores = { u, v, w, x, y, z } E = conjunto de links ={ (u,v), (u,x), (v,x), (v,w), (x,w), (x,y), (w,y), (w,z), (y,z) }

72 Abstração do gráfos: custo - c(x,x ) = custo do link (x,x ) - ex., c(w, z) = 5 - Custo poderia ser sempre 1, ou inversamente relacionado à largura de banda ou ao congestionamento Custo do caminho (x1, x2, x3,, xp) = c(x1,x2) + c(x2,x3) + + c(xp-1,xp) Questão: Qual é o caminho de menor custo entre u e z? Algoritmo de roteameno: algoritmo que encontra o caminho de menor custo

73 Classificação dos algoritmos de roteamento Informação global ou descentralizada Global: - Todos os roteadores têm informações completas da topologia e do custos dos enlaces - Algoritmos link state Descentralizada: - Roteadores só conhecem informações sobre seus vizinhos e os enlaces para eles - Processo de computação interativo, troca de informações com os vizinhos - Algoritmos distance vector Estático ou dinâmico Estático: - As rotas mudam lentamente ao longo do tempo Dinâmico: - As rotas mudam mais rapidamente - Podem responder a mudanças no custo dos enlaces - Atualizações periódicas

74 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

75 Algoritmo de roteamento link-state - Algoritmo de Dijkstra - Topologia de rede e custo dos enlaces são conhecidos por todos os nós - Implementado via link state broadcast - Todos os nós têm a mesma informação - Computa caminhos de menor custo de um nó (fonte) para todos os outros nós - Fornece uma tabela de roteamento para aquele nó - Convergência: após k iterações, conhece o caminho de menor custo para k destinos Notação: - C(i,j): custo do enlace do nó i ao nó j. Custo é infinito se não houver ligação entre i e j - D(v): valor atual do custo do caminho da fonte ao destino V - P(v): nó predecessor ao longo do caminho da fonte ao nó v, isto é, antes do v - N : conjunto de nós cujo caminho de menor custo é definitivamente conhecido

76 Algoritmo de Dijsktra 1 Inicialização: 2 N = {u} 3 para todos os nós v se v é adjacente a u 5 então D(v) = c(u,v) 6 senão D(v) = 7 8 Loop 9 ache w não em N tal que D(w) é um mínimo 10 acrescente w a N 11 atualize D(v) para todo v adjacente a w e não em N : 12 D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) ) 13 /* novo custo para v é ou o custo anterior para v ou o menor 1 custo de caminho conhecido para w mais o custo de w a v */ 15 até que todos os nós estejam em N

77 Exemplo: Algoritmo de Dijsktra Passo início N u ux uxy uxyv uxyvw uxyvwz D(v),p(v) D(w),p(w) 2,u 5,u 2,u,x 2,u 3,y 3,y D(x),p(x) 1,u D(y),p(y) 2,x D(z),p(z),y,y,y

78 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

79 Algoritmo vetor de distância Equação de Bellman-Ford (programação dinâmica) Define dx(y) := custo do caminho de menor custo de x para y Então dx(y) = min { c(x,v) + dv(y) } Em que min é calculado sobre todos os vizinhos de x

80 Exemplo: Bellman-Ford Equação de Bellman-Ford dx(y) = minv {c(x,v) + dv(y) } dx(y): custo do caminho de menor custo do nó x ao nó y minv: calculado para todos os vizinhos de x Para a equação B-F, temos: du(z) = min {c(u,v) + dv(z), c(u,x) + dx(z), c(u,w) + d (z) } = min {2 + 5, 1 + 3, 5 + 3} du(z) = O nó que atinge o mínimo é o próximo salto no caminho mais curto tabela de roteamento

81 Algoritmo vetor de distância Idéia básica: - Cada nó envia periodicamente sua própria estimativa de vetor de distância aos vizinhos - Quando o nó x recebe nova estimativa de DV do vizinho, ele atualiza seu próprio DV usando a equação B-F: Dx(y) = minv{c(x,v) + Dv(y)} - para cada nó y N Ao menos em condições naturais, a estimativa Dx(y) converge para o menor custo atual dx(y)

82 Algoritmo vetor de distância Iterativo, assíncrono: cada iteração local é causada por: - Mudança no custo do enlace local - Mensagem de atualização DV do vizinho Distribuído: - Cada nó notifica os vizinhos apenas quando seu DV mudar - Os vizinhos então notificam seus vizinhos, se necessário Cada nó: espera por (mudança no custo do enlace local na mensagem do vizinho) recalcula estimativas se o DV para qualquer destino mudou, notifica os vizinhos

83 A camada de rede Dx(y) = min{c(x,y) + Dy(y), c(x,z) + Dz(y) = min{2+0, 7+1} = 2 Dx(z) = min{c(x,y) + Dy(z), c(x,z) + Dz(z)} = min{2+1, 7+0} = 3

84 Vetor de distância: mudanças no custo do enlace Mudanças no custo do enlace: - Nó detecta mudança no custo do enlace local - Atualiza informações de roteamento, recalcula o vetor de distância - Se o DV muda, notifica vizinhos No tempo t0, y detecta a mudança no custo do enlace, atualiza seu DV e informa seus vizinhos. No tempo t1, z recebe a atualização de y e atualiza sua tabela. Ele calcula o menor custo novo para x e envia seu DV para os vizinhos. No tempo t2, y recebe a atualização de z a atualiza sua tabela de distância. O menor custo de y s não muda e então y não envia nenhuma mensagem para z.

85 Comparação dos algoritmos LS e VD Estado de Enlace LS (Global) Vetor de Distância DV (Descentralizado) Cada nó envia informações para todos os outros nós. Cada nó envia informações para seus vizinhos imediatos. A informação enviada é o custo do nó para cada um de seus vizinhos imediatos. A informação enviada é o custo (estimado) para todos os nós. A informação é enviada sempre que uma troca ocorrer na rede. A informação é enviada periodicamente. Um nó constrói a topologia completa da rede (segundo sua visão) e usa um algoritmo qualquer de caminho mínimo entre dois pontos. Um nó determina o caminho usando o algoritmo distribuído (exemplo: Bellman-Ford) sobre os custos recebidos.

86 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

87 Roteamento hierárquico Nosso estudo é uma idealização - Roteadores são todos idênticos - Redes flat - na prática, isso não é verdade Escala: com 200 milhões de destinos - Não é possível armazenar todos os destinos numa única tabela de rotas! - As mudanças na tabela de rotas irão congestionar os enlaces! Autonomia administrativa - Internet = rede de redes - Cada administração de rede pode querer controlar o roteamento na sua própria rede

88 Roteamento hierárquico - Agrega roteadores em regiões, sistemas autônomos (AS) - Roteadores no mesmo AS rodam o mesmo protocolo de roteamento - Protocolo de roteamento intra-as - Roteadores em diferentes AS podem rodar diferentes protocolos de roteamento Roteador Gateway - Link direto para um roteador em outro AS

89 ASs interconectadas - Tabela de roteamento é configurada por ambos algoritmos, intra-as e inter-as - Intra-AS estabelece entradas para destinos internos - Inter-AS e intra-as estabelecem entradas para destinos externos

90 Tarefas Inter-AS - Suponha que um roteador no AS1 receba um datagrama cujo destino seja fora do AS1 - O roteador deveria encaminhar o pacote para os roteadores gateway, mas qual deles? AS1 precisa: 1.Aprender quais destinos são alcancáveis através de AS2 e através de AS3. 2.Propagar suas informações de alcance para todos os roteadores em AS1. Tarefa para o roteamento inter-as routing!

91 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

92 Roteamento intra-as - Também conhecido como Interior Gateway Protocols (IGP) - Protocolos de roteamento intra-as mais comuns: - RIP: Routing Information Protocol - OSPF: Open Shortest Path First - IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (proprietário da Cisco)

93 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

94 RIP (Routing Information Protocol) - RFC 1058 RIPv1 / RFC 1723 RIPv2 (origem na Xerox) Algoritmo do tipo vetor distância (DV), exemplo Bellman-Ford Incluso na distribuição do BSD-UNIX em 1982 Métrica de distância: contagem de saltos (máx. = 15 saltos) Origem A

95 Anúncio RIP - Vetores de distância: trocados a cada 30 s via Response Message (também chamado advertisement, ou anúncio) - Cada anúncio indica rotas para até 25 redes de destino Tabela de roteamento em D Rede de destino Roteador seguinte o destino w A y B z B x.. Núm. de saltos até

96 Anúncio RIP Tabela de roteamento em D Rede de destino Roteador seguinte o destino w A y B z B x.. Núm. de saltos até Após 30s o roteador D recebe do roteador A o anúncio abaixo: Anúncio de A Rede de destino Roteador seguinte o destino z C w x.... Núm. de saltos até Tabela atualizada de roteamento em D Rede de destino Roteador seguinte o destino w A y B z A.... Núm. de saltos até

97 RIP: falha de enlances e recuperação Se não há um aviso depois de 180 s --> o vizinho e o enlace são declarados mortos - Rotas através do vizinho são anuladas - Novos anúncios são enviados aos vizinhos - Os vizinhos por sua vez devem enviar novos anúncios (se suas tabelas de rotas foram alteradas) - A falha de um enlace se propaga rapidamente para a rede inteira - Reversão envenenada é usada para prevenir loops, (distância infinita = 16 saltos)

98 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

99 OSPF (Open Shortest Path First) - open : publicamente disponível, desenvolvido pelo IETF - Usa algoritmo do tipo link state - Disseminação de pacotes LS - Mapa topológico em cada nó - Usa algoritmo de Dijkstra para cálculo de rotas - Anúncios do OSPF transportam um registro para cada roteador vizinho - Anúncios são distribuídos para todo o AS (via flooding) - Transportado por mensagens OSPF diretamente sobre IP

100 OSPF características avançadas - Segurança: todas as mensagens do OSPF são autenticadas (para previnir intrusões maliciosas) - Múltiplos caminhos de mesmo custo são permitidos (o RIP só permite um caminho) - Para cada link, múltiplas métricas de custo para TOS diferentes (ex., custo de enlace por satélite definido baixo para tráfego de melhor esforço e alto para serviços de tempo real) - OSPF hierárquico: OSPF para grandes domínios.

101 OSPF hierárquico Francisca:Substit Francisca:Substit uir uirfig. fig.

102 OSPF hierárquico - Hierarquia de dois níveis: área local e backbone. - Anúncios de link state apenas nas áreas - Cada nó tem a topologia detalhada da área, mas somente direções conhecidas (caminhos mais curtos) para redes em outra áreas. - Roteadores de borda de área: resumem distâncias para redes na própria área e enviam para outros roteadores de borda de área - Roteadores de backbone: executam o roteamento OSPF de forma limitada ao backbone. - Roteadores de borda: conectam-se a outras AS s.

103 A camada de rede -.1 Introdução.2 Circuito virtual e redes de datagrama.3 O que há dentro de um roteador. IP: Protocolo da Internet - Formato do datagrama - Endereçamento IPv - ICMP - IPv6 -.5 Algoritmos de roteamento - Link state - Distance vector - Roteamento hierárquico -.6 Roteamento na Internet - RIP - OSPF - BGP

104 Roteamento inter-as da Internet: BGP - BGP (Border Gateway Protocol): é o padrão de fato para uso na Internet - BGP provê cada AS dos meios para: 1. Obter informações de alcance de sub-rede dos ASs vizinhos 2. Propagar informações de alcance para todos os roteadores internos ao AS 3. Determinar boas rotas para as sub-redes baseado em informações de alcance e política - Permite que uma subnet comunique sua existência para o resto da Internet

105 Por que os protocolos intra- e inter-as são diferentes? Políticas: - Inter-AS: a administração quer ter controle sobre como seu tráfego é roteado e sobre quem roteia através da sua rede. - Intra-AS: administração única, então não são necessárias políticas de decisão Escalabilidade - O roteamento hierárquico poupa espaço da tabela de rotas e reduz o tráfego de atualização Desempenho: - Intra-AS: preocupação maior é desempenho - Inter-AS: políticas podem ser dominantes em relação ao desempenho

106 Camada de rede: resumo O que foi coberto: - Serviços da camada de rede - Princípios de roteamento: link state e distance vector - Roteamento hierárquico - IP - Protocolos de roteamento da Internet: RIP, OSPF, BGP - O que há dentro de um roteador? - IPv6 Próxima etapa: a camada de enlace de dados!