Nível. de Rede. Rede. Nível de Rede

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1 epartamento de ngenharia de Telecomunicações U isciplina: Nível de Rede Profa. ébora hristina Muchaluat Saade deborams@telecom.uff.br br Nível de Rede plicação presentação Sessão Transporte Rede nlace ísico ndereçamento Roteamento Transmissão de unidades de dados do serviço o de rede Segmentação e blocagem etecção e recuperação de erros Seqüenciação ontrole de congestionamento Serviços orientado à conexão não orientado à conexão Prof. ébora. Muchaluat Saade

2 Storeand andorward Packet Switching The environment of the network layer protocols. fig 6 Implementation of onnectionless Service Routing within a datagram subnet. 7 Prof. ébora. Muchaluat Saade

3 Implementation of onnectionoriented Service Routing within a virtualcircuit subnet. 8 omparison of Virtualircuit and atagram Subnets 4 Prof. ébora. Muchaluat Saade

4 ierárquico rquico orizontal ndereçamento Mapeamento do SP de Rede no endereço da estação Vinculação direta tabelas de conversão Vinculação dinâmica Protocolo de resolução de endereços lgoritmos de Roteamento Para qual linha de saída do roteador deve ser encaminhado um pacote recebido? onexão de ircuito Virtual x atagrama L ab. L Roteador L L Prof. ébora. Muchaluat Saade 4

5 lgoritmos de Roteamento 4 Propriedades esejáveis correto simples robusto estável justo ótimo O que otimizar? minimizar a distância percorrida por cada pacote minimizar o retardo médio m dos pacotes maximizar a vazão (throughput( throughput) ) total da rede minimizar o número n de saltos (hops( hops) lgoritmos de Roteamento nalogia com estudo de grafos Roteador = NóN nlace = resta Medidas de custo nos enlaces valor unitário (salto ou hop) distância tempo médio m de espera na fila de transmissão + tempo de transmissão propriamente dito capacidade de transmissão custo da linha de comunicação 8 Prof. ébora. Muchaluat Saade

6 lgoritmos de Roteamento 7 The Optimality Principle (a) subnet. (b) sink tree for router. Prof. ébora. Muchaluat Saade 6

7 aminho mais urto (Shortest Path) iversos algoritmos na literatura para computar o caminho mais curto entre dois nós n de um grafo [Tanenbaum 6, ijkstra ] aseiase no uso de uma métrica: m número de saltos (hops) distância capacidade de transmissão tempo médio m de espera na fila de transmissão + tempo de transmissão propriamente dito custo da linha de comunicação aminho mais urto ijkstra ada nón tem um rótulo r que pode ser: tentativa permanente o rótulo r mantém m a menor distância ao nón origem usando o melhor caminho conhecido (inicialmente é infinito) quando descobrese se que a distância ao nón origem é a menor dentre as tentativas, fazse o rótulo r permanente Prof. ébora. Muchaluat Saade 7

8 aminho mais urto (, ) (, ) (, ) (, ) (, ) 7 (, ) (, ) aminho mais urto (, ) (, ) (, ) (, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos:, Tentativas: Permanentes: 4 Prof. ébora. Muchaluat Saade 8

9 aminho mais urto (, ) (, ) (, ) (, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos: Tentativas: Permanentes: 6 aminho mais urto (, ) (, ) (, ) (, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos: Tentativas:, Permanentes: 7 Prof. ébora. Muchaluat Saade

10 aminho mais urto (, ) (, ) (, ) (, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos:, Tentativas: Permanentes:, 8 aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos: Tentativas:, Permanentes:, Prof. ébora. Muchaluat Saade

11 aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos: Tentativas:,, Permanentes:, aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos:, Tentativas:, Permanentes:,, Permanentes:,, Prof. ébora. Muchaluat Saade

12 aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos: Tentativas:,, Permanentes:,, Permanentes:,, aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (7, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos: Tentativas:,, Permanentes:,, Permanentes:,, Prof. ébora. Muchaluat Saade

13 aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (7, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos: Tentativas:, Permanentes:,,, 4 Permanentes:,,, aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (7, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos: Tentativas:,, Permanentes:,,, Permanentes:,,, Prof. ébora. Muchaluat Saade

14 aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (7, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos:, Tentativas:, Permanentes:,,,, 6 Permanentes:,,,, aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (7, ) (, ) 7 (, ) (, ) Vizinhos: Tentativas:, Permanentes:,,,, 7 Permanentes:,,,, Prof. ébora. Muchaluat Saade 4

15 aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (7, ) (, ) 7 (, ) (8, ) Vizinhos: Tentativas:, Permanentes:,,,, 8 Permanentes:,,,, aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (7, ) (, ) 7 (, ) (8, ) Vizinhos: Tentativas: Permanentes:,,,,, Permanentes:,,,,, Prof. ébora. Muchaluat Saade

16 aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (7, ) (, ) 7 (, ) (8, ) Vizinhos: Tentativas:, Permanentes:,,,,, 4 Permanentes:,,,,, aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (7, ) (, ) 7 (, ) (8, ) Vizinhos: Tentativas: Permanentes:,,,,,, 4 Permanentes:,,,,,, Prof. ébora. Muchaluat Saade 6

17 aminho mais urto (, ) (, ) (4, ) (7, ) (, ) 7 (, ) (8, ) Vizinhos: Tentativas: Permanentes:,,,,,, 4 Permanentes:,,,,,, lgoritmos de Roteamento aseiamse em uma estrutura de dados chamada TL de ROTS que possui os campos: endereço o de destino custo do caminho (mais curto) até o destino linha de saída lassificamse se de acordo com a forma de atualização da tabela: Não adaptativos (státicos ticos ou por Rota ixa) daptativos (inâmicos) 4 Prof. ébora. Muchaluat Saade 7

18 lgoritmos de Roteamento Não daptativos (Roteamento stático tico ou por aminho ixo) Uma vez criadas as tabelas, as mesmas não são mais alteradas aminhos alternativos são utilizados apenas em caso de falhas spectos negativos Probabilidade alta de uma mám utilização dos meios de comunicação ificuldade para manutenção e gerência 46 looding 47 Prof. ébora. Muchaluat Saade 8

19 looding 48 looding 4 Prof. ébora. Muchaluat Saade

20 looding looding rescimento exponencial do número n de pacotes na rede xige a utilização de algum mecanismo de descarte dos pacotes para evitar que pacotes fiquem eternamente circulando na rede ontador de saltos no cabeçalho alho de cada pacote Nó guarda a informação dos pacotes que jáj foram repassados por ele Selective flooding Pouco prático, porém útil em algumas aplicações plicações militares (robustez do flooding é desejável) tualização de bancos de dados distribuídos dos Métrica de avaliação para outros algoritmos de roteamento (sempre utiliza o caminho mais curto, pois usa todos os caminhos em paralelo) Prof. ébora. Muchaluat Saade

21 lgoritmos de Roteamento daptativos (Roteamento inâmico) Rota escolhida de acordo com o arranjo topológico da rede, ou mesmo com a carga na rede tualização periódica das tabelas de rota Modo distribuído do lgoritmos de Roteamento inâmicos Modo istribuído Os nós n s trocam entre si suas respectivas informações locais para cálculo c das tabelas de rota. nvio de informações pode ser feito Periodicamente m resposta a alterações nas informações dos enlaces xemplos de algoritmos istance Vector k State 6 Prof. ébora. Muchaluat Saade

22 istance Vector 6 istance Vector Também m conhecido pelos nomes de lgoritmo de roteamento de ellmanord lgoritmo de roteamento de ordulkerson ulkerson lgoritmo de roteamento utilizado pelos primeiros protocolos de nível n de rede ntigo algoritmo de roteamento da RPNT (até 7) RIP (Routing Information Protocol, R 8) IPX (primeiras versões) net (primeiras versões) 6 Prof. ébora. Muchaluat Saade

23 es es istance Vector L L L L 4 es es 64 ada nón possui: identificador único custo de cada enlace istance Vector 6 O nón transmite o seu vetor de distâncias (com destino/custo) para cada um dos seus vizinhos sempre que o seu vetor se modifica (ou periodicamente) ada nón mantém m o vetor de distâncias mais recente enviado por cada um de seus vizinhos ada nón calcula o seu próprio prio vetor de distâncias, minimizando o custo para cada destino O vetor de distâncias é recalculado sempre que: um vizinho enviar um vetor de distâncias contendo informações diferentes das anteriores houver a queda em um enlace para um vizinho. Nesse caso, o vetor de distâncias desse vizinho é descartado para que o vetor de distâncias do nó seja recalculado Prof. ébora. Muchaluat Saade

24 istance Vector es es es 66 istance Vector es es es 67 Prof. ébora. Muchaluat Saade 4

25 istance Vector es es () es es 68 istance Vector es () es es es 6 Prof. ébora. Muchaluat Saade

26 istance Vector es () es es es 7 istance Vector es () es es es () es 7 Prof. ébora. Muchaluat Saade 6

27 istance Vector es () es es es () es 7 istance Vector es () es es es () es 7 Prof. ébora. Muchaluat Saade 7

28 istance Vector es () es es es () es () es 74 istance Vector es () es es 8 es () es () es 7 Prof. ébora. Muchaluat Saade 8

29 istance Vector es () es 8 () es 8 es 8 es 8 () es () es 8 () es 8 () es 76 istance Vector Vantagens Simplicidade Tempo de convergência baixo quando a rede opera bem Principal desvantagem Tempo de convergência muito alto quando ocorrem problemas na rede Problema da contagem para infinito (count( counttoinfinity problem) 77 Prof. ébora. Muchaluat Saade

30 istance Vector es es es es es es es 7 istance Vector es es es es es es es 8 Prof. ébora. Muchaluat Saade

31 istance Vector es es es es es 8 istance Vector es es es es es 8 Prof. ébora. Muchaluat Saade

32 istance Vector es es es es es 8 istance Vector es es es 4 es es 84 Prof. ébora. Muchaluat Saade

33 istance Vector es es es 4 es es 8 istance Vector es es 4 es 4 es es 86 Prof. ébora. Muchaluat Saade

34 istance Vector iversas propostas para melhorar a questão do tempo de convergência [Perlman ] Split orizon: : a distância ao nón X não é reportada na linha por onde pacotes com destino X são encaminhados poison reverse: a distância é reportada como sendo infinito Nenhuma das propostas resolve a questão satisfatoriamente 87 istance Vector Split orizon & Poison Reverse es es es es es es es Prof. ébora. Muchaluat Saade 4

35 istance Vector Split orizon & Poison Reverse es es es es es es es istance Vector Split orizon & Poison Reverse es es es es es 4 Prof. ébora. Muchaluat Saade

36 istance Vector Split orizon & Poison Reverse es es es es es istance Vector Split orizon & Poison Reverse es es es es es 6 Prof. ébora. Muchaluat Saade 6

37 istance Vector Split orizon & Poison Reverse es es es es es 7 k State 8 Prof. ébora. Muchaluat Saade 7

38 k State topologia completa e todos os custos (p.e., retardos medidos experimentalmente) são distribuídos dos para cada roteador epois de possuir o mapa completo da topologia, cada roteador pode rodar o algoritmo de ijkstra para encontrar o caminho mais curto para cada outro roteador ada roteador deve k State. escobrir os seus vizinhos e aprender seus endereços de rede. eterminar o custo para alcançar ar cada um deles.. onstruir um pacote, denominado link state packet LSP, contendo uma lista dos vizinhos com os respectivos custos. 4. ifundir seu LSP para todos os outros roteadores da rede, armazenando os mais recentes LSPs recebidos dos demais roteadores.. omputar a melhor rota (caminho mais curto) para cada um dos roteadores. Prof. ébora. Muchaluat Saade 8

39 k State Identificação dos Vizinhos nlaces pontoaponto Troca de pacotes especiais de identificação (pacotes LLO) LNs conectando roteadores onsiderar a LN como um nón artificial (LN( designated router) (a) Nine routers and a LN. (b) graph model of (a). k State eterminando o custo de cada linha xemplo com custo=retardo: Pacote especial O é enviado em cada linha Outra ponta deve respondêlo imediatamente retardo medido é dividido por teste realizado várias v vezes, e depois a média m é computada considera ou não o tempo de espera na fila (carga do enlace) Prof. ébora. Muchaluat Saade

40 ormato do LSP k State onstrução do LSP ndereço o de Origem (Identificação do nó) n Número de seqüência Tempo de vida ndereço o do usto Vizinho ndereço o do usto Vizinho Um nón gera um novo LSP em várias v situações: Periodicamente Logo que descobre um novo vizinho Logo que cai um enlace de comunicação com um vizinho Logo que o custo de um enlace para um vizinho existente é alterado k State ifusão do LSP Parte mais complexa e crítica do algoritmo arantir uma consistência nos conjuntos de LSPs de cada nón vitar que os LSPs se multipliquem de uma forma desordenada arantir a confiabilidade (correção e ordenação) na entrega dos LSPs vitar a propagação dos LSPs utilizando informações de roteamento da rede para não criar um problema recursivo looding (adaptado) 6 Prof. ébora. Muchaluat Saade 4

41 k State ifusão do LSP looding para distribuir LSPs cada pacote contém m um número n de seqüência ( bits) incrementado a cada novo LSP enviado roteadores guardam pares (roteador_origem, número_seqüência) que recebem quando chega um LSP: se for novo (número de seqüência maior que o armazenado), é encaminhado em todas as portas exceto a de origem se for duplicata, é descartado se tiver número n de seqüência menor que o armazenado para aquela origem, é descartado como obsoleto. 8 k State ifusão do LSP Problemas: reiniciar número n de seqüência se um roteador falhar, perderia a seqüência e pacotes seriam encarados como duplicata erro de transmissão no número n de seqüência Solução: tempo de vida no pacote, decrementado por cada roteador que o repassa ou o está armazenando quando a idade chegar a zero, o roteador deleta os dados associados ao LSP (vizinhos e custos) e retransmite o cabeçalho alho do LSP para cada um de seus vizinhos todo LSP deve ser reconhecido (ack), para isso, cada roteador quarda dois flags para cada linha de saída para cada LSP (um indica que o LSP deve ser retransmitido e o outro indica que um ack deve ser enviado) Prof. ébora. Muchaluat Saade 4

42 ifusão de LSPs LSP lags Vizinho_ Vizinho_ Vizinho_ Roteador_origem n_seq tempo_de_vida Send ck Tabela em cada roteador para manter o controle de envio e recebimentos de LSPs k State álculo das Rotas eito baseandose no conjunto de LSPs recebidos ada roteador constrói i a topologia completa lgoritmo normalmente utilizado é o algoritmo de ijkstra, executado localmente, para descobrimento do caminho mais curto Prof. ébora. Muchaluat Saade 4

43 Prof. ébora. Muchaluat Saade 4 radua raduação em ngenharia de Telecomunica ão em ngenharia de Telecomunicações ões 4 k State k State es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es k State k State 7 es es 7 es es es es 4 4 es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es es

44 k State xemplos de protocolo de roteamento baseados em link state Novo protocolo de roteamento da RPNT ISIS (Intermediate SystemIntermediate System originado do net fase V e adotado como padrão pela ISO LNP) OSP (Open Shortest Path irst R 8) NLSP (NetWare k Services Protocol) (Novell IPX) PNNI (Private Networkto tonetwork Interface) 6 istance Vector x k State Principais vantagens do algoritmo link state Menor tempo de convergência Mais fácil f inferir a topologia da rede Mais fácil f identificar falhas em enlaces da rede Permite de forma trivial que a rede opere com roteamento na origem Principal vantagem do algoritmo distance vector Simplicidade Prof. ébora. Muchaluat Saade 44

45 Roteamento ierárquico rquico rescimento das redes pode levar a um crescimento das tabelas que as tornam intratáveis ividir os nós n s em regiões, com cada nón capaz de manter as informações de rotas das regiões a que pertence O agrupamento pode ser feito utilizando um número arbitrário rio de níveisn regiões, clusters, zonas, grupos, etc. Roteamento ierárquico rquico J I K est I J K ops 4 4 Tabela de Rotas de Prof. ébora. Muchaluat Saade 4

46 Roteamento ierárquico rquico Região est ops I Reg. J K Reg. Reg. 4 Tabela de Rotas de Região Região 4 Região ierarchical Routing ierarchical routing. 4 Prof. ébora. Muchaluat Saade 46

47 Roteamento por ifusão (roadcasting) Um pacote para cada nón de destino (origem deve ter lista completa de destinos) looding (gera muitos pacotes e consome muita largura de banda) Pacotes contendo múltiplos m destinos (cada roteador encaminha o pacote na melhor rota, adaptando a lista de destinos conforme necessário) Spanning tree contendo todos os roteadores (às( vezes a spanning tree é conhecida, LSR, às s vezes não, VR) Reverse Path orwarding 7 Reverse Path orwarding J I Um nó só propaga o pacote de difusão recebido de um nó X, se o pacote chegar pela linha que o nó utilizaria para transmitir dados para o nó X, caso contrário, o pacote é descartado como sendo duplicata. 8 Prof. ébora. Muchaluat Saade 47

48 Reverse Path orwarding I I J J Spanning Tree Reverse Path orwarding I I J Prof. ébora. Muchaluat Saade 48

49 Reverse Path orwarding I I I J J J J Reverse Path orwarding I I I J J J I J J Prof. ébora. Muchaluat Saade 4

50 roadcast Routing Reverse path forwarding. (a) subnet. (b) a Sink tree. (c) The tree built by reverse path forwarding. Prof. ébora. Muchaluat Saade