Camada de rede. Funções

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1 amada de rede Serviços fornecidos pela camada de rede Encaminhamento Estado-da-ligação Vector-distância Internet Protocol (IP) Encaminhamento na Internet Intra-domínio Inter-domínio IPv6, DHP, IP móvel, VPN, NT Encaminhamento multicast rquitectura de um encaminhador amada de rede Funções Determinação de caminhos e construção das tabelas de expedição Expedição de pacotes omutação de pacotes Fragmentação e reconstrução de datagramas (internets) Estabelecimento e terminação de circuitos (comutação de circuitos virtuais) aplicação transporte rede dados físico rede dados físico rede dados físico rede dados físico rede dados físico rede dados físico rede dados físico rede dados físico rede dados físico aplicação transporte rede dados físico amada de rede

2 Serviços ircuitos-virtuais Estabelecimento e terminação de circuitos Transferência de dados Reserva de recursos ao longo de um caminho arantias de qualidade de serviço Informação de estado por fluxo em todos os encaminhadores Datagramas Transferência de dados não é precedida por estabelecimento de circuito Serviço na base do melhor esforço Encaminhadores não mantêm informação de estado por fluxo amada de rede 3 Encaminhamento Determinação de bons caminhos entre origens e destinos Rede modelada por um grafo Nós Ligações omprimento de uma ligação Função aditiva 5 B D 3 3 E 5 F traso, custo monetário, nível de congestão onceito de bom caminho aminho mais curto amada de rede 4

3 Protocolos para encaminhamento dinâmico Vector-distância lgoritmo distribuído para cálculo das distâncias Nós enviam vectores de distâncias aos seus vizinhos Estado-da-ligação lgoritmo distribuído para difusão da topologia da rede Nós difundem o comprimento das ligações por toda a rede lgoritmo sequencial para cálculo dos caminhos mais curtos Vector-caminho omo em vector-distância, mas os vectores incluem todo o caminho para alcançar cada nó destino amada de rede 5 Difusão fiável inicialização para todo v lsp [v] := 0 seq := B F recebe <LSP,v,n> de w D E se (n > lsp [v]) envia <LSP,v,n> a todos os vizinhos excepto w lsp [v] := n ligação entre e w é alterada envia <LSP,,seq > a todos os vizinhos lsp [] := seq seq := seq + lsp [v] número do último LSP com origem no nó v recebido em amada de rede 6

4 lgoritmo de Dijkstra para todo v d [v] := infinito p [v] := nulo d [] := 0 N := todos os nós enquanto (N não é vazio) extrair de N o nó w tal que d [w] é mínimo para (v vizinho de w) se (d [v] > d [w] + c[w,v]) d [v] := d [w] + c[w,v] p [v] := w d [v] distância do nó ao nó v p [v] predecessor no caminho mais curto de até v c[w,v] comprimento da ligação entre os nós w e v amada de rede 7 lgoritmo de Dijkstra: exemplo iteração N BDEF BEF 3 BF 4 F 5 F 6 d[b],p[b],,, d[],p[] 5, 4,D 3,E 3,E d[d],p[d], d[e],p[e] infinito,d d[f],p[f] infinito infinito 4,E 4,E 4,E 5 B D 3 3 E 5 F amada de rede 8

5 lgoritmo de Bellman-Ford para todo e todo t se ( = t) dant[,t] := 0 senão dant[,t] := infinito fazer N- vezes para todo e todo t se ( = t) d[,t] := 0 senão d[,t] := min {c[,b] + dant[b,t], B vizinho de } dant := d d[,t] distância do nó ao nó t dant[,t] antiga distância do nó ao nó t c[,b] comprimento da ligação entre os nós e B N número de nós amada de rede 9 Bellman-Ford distribuído: recepção de mensagem d [t] distância do nó ao nó t dtab [B,t] distância do nó ao nó t via nó B inicialização c[,b] comprimento da ligação entre os nós e B para todo t d [t] := infinito d [] := 0 recebe <d,t> do vizinho B dtab [B,t] := c[,b] + d se (t = ) d [t] := 0 senão d [t] := min {dtab [B,t], B vizinho de } se (d [t] foi alterado) envia <d [t],t> a todos os vizinhos amada de rede 0

6 Bellman-Ford distribuído: alteração das ligações ligação entre e B foi restaurada para todo t envia <d [t],t> ao nó B comprimento da ligação entre e B aumentou de dd para todo t dtab [B,t] := dd + dtab [B,t] se (t = ) d [t] := 0 senão d [t] := min {dtab [B,t], B vizinho de } se (d [t] foi alterado) envia <d [t],t> a todos os vizinhos amada de rede Exemplo de uma tabela de distâncias 7 B E 8 D dtab E [D,] c[e,d] + = 4 = dtab E [D,] c[e,d] + 3 = 5 = dtab E [B,] c[e,b] + 6 = 4 = ciclo! ciclo! dtab E [, ] destino B D vizinho B D amada de rede

7 Bellman-Ford distribuído: exemplo B d[, ] E d[, ] E B E 8 D D d[, ] d[, ] B D E d[, ] d[, ] B 8 D E 3 E d[, ] B D d[, ] B D 5 amada de rede 3 Bellman-Ford distribuído: cont. exemplo B d[, ] E d[, ] E D d[, ] d[, ] B D 8 5 E 0 3 d[, ] d[, ] B D 8 5 E B E 8 D E d[, ] B D d[, ] B D amada de rede 4

8 Bellman-Ford distribuído: propriedades omprimento de uma ligação diminui onvergência rápida omprimento de uma ligação aumenta onvergência lenta Problema da contagem para o infinito Problema da contagem para o infinito Protocolo não converge quando não há caminho entre origem e destino Separação de horizontes com envenenamento inverso não resolve o problema da contagem para o infinito Limitação do diâmetro da rede lteração ao protocolo amada de rede 5 Encaminhamento adaptado ao tráfego: oscilações Encaminhamento adaptado ao tráfego pode gerar oscilações +e D 0 0 B 0 e e início +e 0 D +e B 0 0 a iteração 0 +e D 0 B 0 +e a iteração +e 0 D B 0 +e e 3 a iteração amada de rede 6

9 Encaminhamento adaptado ao tráfego: paradoxo de Braess Equilíbrio quando todos os caminhos que suportam um fluxo têm comprimentos iguais f f 0.f f traso=.5 traso=! 0 0 amada de rede 7 Paradoxo de Braess na prática amada de rede 8

10 Encaminhamento hierárquico Partição dos encaminhadores em áreas gregação de endereços associados a uma área Redução do número mensagens de encaminhamento Redução do número de entradas nas tabelas de expedição aminhos extremo-a-extremo deixam de ser óptimos Protocolo de encaminhamento intra-área pode ser diferente do protocolo de encaminhamento inter-área amada de rede 9 Encaminhamento hierárquico: exemplo b a B c b Tabela de expedição em.b B (,) c a c d a b c (,) d a (0,) d c (0,) c d (0,) d aminho.c-.d-.a-.c-.b não é o caminho mais curto de.c para.b amada de rede 0

11 amada de rede na Internet amada de transporte: TP, UDP amada de rede Protocolos encaminhamento RIP, OSPF, BP tabela de expedição Protocolo IP Endereçamento Formato dos datagramas Operações sobre datagramas Protocolo IMP Relato de erros ontrolo amada de ligação de dados amada física amada de rede Endereços IP Identificadores de 3 bits ada endereço IP identifica uma interface, e não uma estação = amada de rede

12 Endereço IP omponente de rede omponente de estação onceito de rede Interfaces com a mesma componente de rede Interfaces com a mesma componente de rede comunicam directamente Interfaces com componente de rede distintas comunicam através de encaminhadores Redes LN / * redes IP (neste caso os primeiros 4 bits formam a componente de rede) amada de rede 3 lasses de endereços IP Divisão implícita em classes classe 0 rede estação B 0 0 rede rede estação estação D 0 Endereço multicast a a a a bits amada de rede 4

13 Expedição de datagramas: local IP origem IP destino Outros cab dados descobre que B está na mesma rede amada de ligação de dados entrega datagrama a B, encapsulado numa trama B Rede dest. Sucessor distância 3...0/ / / amada de rede 5 Expedição de datagramas:remoto IP origem IP destino Outros cab dados descobre que o datagrama deve ser enviado para amada da ligação de dados em entrega datagrama a 3...4, encapsulado numa trama Encaminhador descobre que E está na rede 3...0/4 amada da ligação de dados no encaminhador entrega datagrama a E, encapsulado numa trama Rede dest. sucessor dist. interface 3...0/4 - I 3...0/4 - I /4 - I (I) (I) (I3) E amada de rede 6

14 Exemplo de uma tabela de expedição Destino ateway Flags Ref Use Interface UH lo U 3 eth U eth U 5 ppp U 3 0 eth U eth Três redes: , , Um endereço multicast: Entrada por omissão: amada de rede 7 estão de endereços IP: objectivos Utilização eficiente dos endereços Rede necessita de 300 endereços É-lhe atribuído um bloco de endereço de classe B, com endereços Eficiência na utilização endereços é 0.46%! Reduzir o número de entradas nas tabelas de expedição Organização necessita de 800 endereços São-lhe atribuídos 3 blocos de endereços de classe, num total de 860 endereços Tabelas de expedição têm que ter 3 entradas à conta desta organização! amada de rede 8

15 lassless Inter-Domain Routing (IDR) Endereços IP agregados em blocos contíguos denominados prefixos Prefixo Endereço IP de base omprimento da máscara Exemplo: a.b.c.d/x Número de endereços IP associados a um prefixo é uma potência de omponente de rede omponente de estação /3 amada de rede 9 gregação de endereços IP Organização /3 Organização /3 Organização /3... Organização / Endereço IP destino Máscara da organização Endereço base da organização ISP ISP / /6 Internet amada de rede 30

16 Expedição por prefixo mais específico Organização /3 Organização mudou do ISP para o ISP mas manteve o seu bloco de endereços IP Organização /3.... Organização /3 ISP / Internet Organização /3 ISP / /3 amada de rede 3 Tries 0 * Tabela de expedição 00 I 00(I) 0 0 (I) 000 I 00 I (I4) 00 0(I3) (I4) 00 I 000(I) 00(I) 00 0 I3 000 I (I) I I4 amada de rede 3

17 Encaminhamento na Internet Internet consiste num número de sistemas autónomos interligados (utonomous System, S) S terminal S multi-terminal S de trânsito Encaminhamento intra-s (Interior ateway Protocols, IP) RIP: Routing Information Protocol OSPF: Open Shortest Path First Encaminhamento inter-s (Exterior ateway Protocol, EP) BP: Border ateway Protocol amada de rede 33 Internet S de trânsito Tier- S de trânsito Tier- S de trânsito Tier-3 S multi-terminal S terminal Relação fornecedor cliente Relação de paridade amada de rede 34

18 Routing Information Protocol (RIP) Vector distância omprimento das ligações é unitário Diâmetro da rede inferior a 6 ada encaminhador envia periodicamente o seu vector de distâncias aos vizinhos Encaminhadores não guardam informação sobre os vectores distância dos vizinhos usência prolongada da recepção de vectores distância indica falha na ligação Opera sobre UDP (!) Processo que executa RIP é o routed amada de rede 35 Open Shortest Path First (OSPF) Estado da ligação cada ligação podem estar associadas várias métricas Múltiplos caminhos do mesmo comprimento entre pares origem destino Segurança Suporte de hierarquias dentro de uma S Suporte de multicast Opera sobre IP Processo que executa OSPF é o gated amada de rede 36

19 OSPF hierárquico Encaminhamento intra-área: estado-da-ligação Encaminhamento inter-área: vector-distância Toda a comunicação inter-área atravessa a área 0 Área Área 3 Área 0 Área amada de rede 37 Border ateway Protocol (BP) Vector caminho ada encaminhador fronteira anuncia, para cada prefixo IP destino, todo o caminho de Ses até chegar a esse destino Problema da contagem para o infinito não existe Políticas na escolha de caminhos ada S pode decidir não anunciar os seus caminhos a algumas Ses vizinhas ada S atribui um nível de preferência aos caminhos anunciados pelos vizinhos External BP (EBP) e Internal BP (IBP) Opera sobre TP amada de rede 38

20 LOL-PREF tributos do BP Nível de preferência atribuído localmente a uma rota Não é passado fora da S S-PTH Sequência de Ses pelas quais a rota passou crescentado pela S MED Discrimina ligações diferentes a uma mesma S vizinha lgum controlo sobre o tráfego que entra na S NEXT-HOP Endereço IP do encaminhador fronteira da S vizinha que anuncia a rota Não é alterado pelo ibp amada de rede 39 Encaminhamento Expedição rquitectura de um encaminhador Determinação do porto de saída omutação para o porto de saída Tecido de comutação Processador amada de rede 40

21 Espera no porto de saída Tecido de comutação opera a um débito igual a n vezes o débito das linhas trasos e perdas nos portos de saída n Tecido de comutação Tecido de comutação amada de rede 4 Espera no porto de entrada e HOL Tecido de comutação opera a um débito inferior a n vezes o débito das linhas trasos e perdas nos portos de entrada Bloqueio de princípio de fila (HOL) HOL amada de rede 4

22 natomia de um datagrama IP 3 bits TOS Tipo de serviço Protocolo have de desmultiplexagem para a camada de transporte: TP, UDP,... Identificador, offset e sinalizadores Fragmentação e reconstrução de datagramas TTL Decrementado em cada encaminhador ver. comp. cab. identificador TTL TOS protocolo endereço IP fonte comprimento do datagrama sinal. checksum endereço IP destino offset opções (comprimento variável) dados da camada de transporte (comprimento variável) amada de rede 43 Fragmentação e reconstrução ada ligação tem um MTU Datagramas fragmentados na camada IP Reconstrução apenas no destino ampos no cabeçalho proporcionam reconstrução Offset indica número do primeiro byte do fragmento, em múltiplos de 8 bytes comp. =4000 comp. =500 comp. =500 comp. =040 ID =x ID =x ID =x ID =x s. frag =0 s. frag = s. frag = offset =0 Fragmentação (MTU=500 bytes) s. frag =0 offset =0 offset =480 offset =960 amada de rede 44

23 Internet ontrol Message Protocol (IMP) Utilizado para propagação de informação de controlo Erros: destino não existe, porto não existe, TTL chegou a 0, reconstrução do datagrama falhou Pedido/resposta Mensagens IMP transportadas em datagramas IP Tipo ódigo 8 primeiros bytes do datagrama que causou o erro Traceroute IMP time exceeded (TTL é zero) Ping IMP echo request IMP echo reply amada de rede 45 IPv6 Motivação principal Escassez de endereços IP Razões adicionais Expedição e comutação rápidas de datagramas Qualidade de serviço utoconfiguração Endereços anycast Formato dos datagramas Endereços de 8 bits Não permite fragmentação Não tem checksum amada de rede 46

24 natomia de um datagrama IPv6 lasse de tráfego Prioridades Rótulo de fluxo QoS? omprimento Dos dados apenas Próximo cabeçalho have de desmultiplexagem Limite de saltos Semelhante ao TTL ver. classe tráfego comprimento 3 bits rótulo de fluxo próximo cab. endereço IP fonte endereço IP destino lim. saltos dados da camada de transporte (comprimento variável) amada de rede 47 Migração IPv4 - IPv6 Não vai haver um dia R em que todos os encaminhadores mudam de IPv4 para IPv6 Migração de IPv4 para IPv6 terá que ser gradual Soluções de migração Pilha dupla IPv4/IPv6: alguns encaminhadores conseguem traduzir datagramas entre os dois formatos Túneis: Datagramas IPv6 transportados como dados de datagramas IPv4 amada de rede 48

25 Pilha dupla IPv6 IPv6 IPv4 IPv4 IPv6 IPv6 B D E F IPv6 Fluxo: X IP fonte: IP dest.: F IPv4 IP fonte: IP dest.: F IPv4 IP fonte: IP dest.: F IPv6 Fluxo:? IP fonte: IP dest.: F Há informação no cabeçalho do datagrama IPv6 inicial que é perdida quando ele é traduzido num datagrama IPv4 amada de rede 49 Túnel IPv6 IPv6 IPv6 IPv6 B E F IPv6 IPv6 IPv4 IPv4 IPv6 IPv6 B D E F IPv6 Fluxo: X IP fonte: IP dest.: F IPv4 Proto: IP-IP IP fonte: B IP dest.: E IPv4 Proto: IP-IP IP fonte: B IP dest.: E IPv6 Fluxo: X IP fonte: IP dest.: F IPv6 Fluxo: X IP fonte: IP dest.: F IPv6 Fluxo: X IP fonte: IP dest.: F amada de rede 50

26 Dynamic Host onfiguration Protocol (DHP) tribuição dinâmica de endereços IP Partilha de endereços onfiguração automática Porto UDP bemconhecido: 67 e 68 Mensagens DHPDISOVER DHPOFFER DHPREQUEST DHPK Servidor , ,68 DHPOFFER , ,68 DHPK liente , ,67 DHPDISOVERY , ,67 DHPREQUEST Servidor , ,68 DHPOFFER amada de rede 5 IP móvel Mobilidade transparente para as aplicações Manutenção do endereço IP aquando da deslocação de uma rede para outra Entidades intervenientes Estação móvel gente caseiro (home agent, H) gente estrangeiro (foreign agent, F) Sinalização Endereço temporário (care-of-address, O) Protocolo estação móvel agente estrangeiro Protocolo agente estrangeiro agente caseiro Transferência de dados Túneis amada de rede 5

27 Encaminhamento indirecto / O /4 H F /4 amada de rede 53 Encaminhamento directo / O /4 H 3 F /4 amada de rede 54

28 Virtual Private Networks (VPN) Internet IP-IP R R /6 IRT site R /6 IRT site 3 IRT site /6 amada de rede 55 Network ddress Translation (NT) Internet /4 R /4 R /6 R site /4 R /6 R site 3 R site /6 amada de rede 56

29 Multicast Quando a aplicação fonte gera uma mensagem, uma cópia dessa mensagem deverá ser entregue a cada um de vários destinos distintos Multicast emulado Fonte estabelece sessões unicast com cada um dos destinos Multicast na camada de aplicação Estações terminais constroem árvore multicast lógica sobre a rede Multicast na camada de rede Encaminhadores constroem árvore multicast amada de rede 57 Tipos de multicast Multicast emulado Multicast na camada de aplicação Multicast na camada de rede amada de rede 58

30 Multicast na camada de rede Questões fundamentais omo endereçar os elementos de um grupo multicast? omo realizar a entrada e saída de elementos do grupo multicast? omo expedir um datagrama para todos os elementos de um grupo multicast? omo desenhar protocolos de encaminhamento multicast, para construção de tabelas de expedição multicast? Parâmetros para a comparação de protocolos de encaminhamento multicast Número máximo de elementos nos grupos multicast Propagação de tráfego desnecessário oncentração de tráfego aminhos óptimos amada de rede 59 Internet roup Management Protocol (IMP) Destinos de um grupo multicast partilham um mesmo endereço IP multicast, de classe D Internet roup Management protocol Opera entre uma estação e o encaminhador a que a estação está directamente ligada Encaminhador pretende saber para cada interface quais os grupos multicast que têm membros ligados a essa interface Encaminhador convida estações a indicarem os grupos multicast a que querem pertencer Informação de estado soft Encaminhador infere a inexistência de elementos de um grupo multicast associados a uma interface amada de rede 60

31 Árvores multicast (*,) (S,) (S,) (S3,) S S3 S S3 S S Árvore de grupo partilhada Árvores de fonte Árvore de grupo partilhada Todos os nós do grupo multicast partilham a mesma árvore Árvore de custo mínimo que cobre todos os nós do grupo Árvore de Steiner 3 4 omplexo do ponto de vista computacional amada de rede 6

32 Expedição por caminho inverso Difusão de um datagrama por toda a rede usando as tabelas de expedição unicast Datagrama é recebido pela interface que conduz ao caminho mais curto até à origem do datagrama Encaminhador propaga o datagrama Redução do número de cópias enviadas Encaminhadores designados Mensagens de corte amada de rede 63 DVMRP e PIM-DM: árvore de fonte S S S S prune

33 PIM-SM: árvore partilhada (*,) (S,) RP join register RP RP join register RP S join RP RP S S PIM-SM: árvore de fonte (S,) RP RP join join S S