Camada de rede. Funções. Encaminhamento. Internet Protocol (IP) Encaminhamento na Internet

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1 amada de rede Encaminhamento Estado-da-ligação Vetor-distância Internet Protocol (IP) Encaminhamento na Internet Intra-domínio Inter-domínio ircuitos virtuais e MPLS IPv6, DHP e NT rquitetura de um encaminhador amada de rede Funções Endereçamento Expedição de pacotes Determinação de caminhos; construção de tabelas de expedição omutação de pacotes Fragmentação e reconstrução de datagramas (internets) 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

2 Encaminhamento Determinação de bons caminhos entre origens e destinos Rede modelada por um grafo Nós Ligações omprimento de uma ligação Função aditiva D 3 3 E 5 2 F traso, custo monetário, nível de congestão, etc. onceito de bom caminho aminho mais curto amada de rede 3 Protocolos para encaminhamento dinâmico Vetor-distância lgoritmo distribuído para cálculo das distâncias Nós enviam vetores 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 executado autonomamente em cada nó para cálculo dos caminhos mais curtos Vetor-caminho omo em vetor-distância, mas os vetores incluem todo o caminho de nós para alcançar cada nó destino amada de rede 4 2

3 Difusão fiável inicialização para todo v lsa [v] := 0 seq := F recebe <LS,v,n> de w D se (n > lsa [v]) envia <LS,v,n> a todos os vizinhos exceto w lsa [v] := n ligação entre e w é alterada envia <LS,,seq > a todos os vizinhos lsa [] := seq seq := seq + lsa [v] número do último LS com origem no nó v recebido em E amada de rede 5 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 6 3

4 lgoritmo de Dijkstra: exemplo iteração N DEF 2 EF 3 F 4 F 5 F 6 d[],p[] 2, 2, 2, d[],p[] 5, 4,D 3,E 3,E d[d],p[d], d[e],p[e] infinito 2,D d[f],p[f] infinito infinito 4,E 4,E 4,E D 3 3 E 5 2 F amada de rede 7 Estado-da-ligação: mecanismos Protocolo HELLO para descobrir vizinhos LS (Link-State dvertisement) número de sequência, para a difusão fiável idade, para apagar informação antiga (obriga os nós a refrescarem LSs) Difusão fiável de LSs Sincronismo da base-de-dados de LSs entre vizinhos quando uma nova ligação é adicionada álculo de caminhos mais curtos Preenchimento da tabela de expedição amada de rede 8 4

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

6 ellman-ford distribuído: alteração das ligações ligação entre e foi restaurada para todo t envia <d [t],t> ao nó comprimento da ligação entre e aumentou de dd para todo t dtab [,t] := dd + dtab [,t] se (t = ) d [t] := 0 senão d [t] := min {dtab [,t], 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 E 8 2 D dtab E [D,] c[e,d] + 2 = 4 = dtab E [D,] c[e,d] + 3 = 5 = dtab E [,] c[e,] + 6 = 4 = 2 ciclo! ciclo! dtab E [, ] D vizinho D amada de rede 2 6

7 ellman-ford distribuído: exemplo d[, ] E d[, ] E E 8 2 D 2 D d[, ] d[, ] D E d[, ] d[, ] 8 D E 3 E d[, ] D d[, ] D 5 amada de rede 3 ellman-ford distribuído: cont. exemplo d[, ] E d[, ] E D d[, ] d[, ] D 8 5 E 0 3 d[, ] d[, ] D 8 5 E E 8 2 D 2 E d[, ] D d[, ] D amada de rede 4 7

8 ellman-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 e e início 2+e 0 D 0 +e 0 a iteração 0 2+e D 0 0 +e 2 a iteração 2+e 0 D 0 +e e 3 a iteração amada de rede 6 8

9 Encaminhamento adaptado ao tráfego: paradoxo de raess Equilíbrio quando todos os caminhos que suportam um fluxo têm comprimentos iguais f f 0.f f traso=.5 traso=2! 0 0 amada de rede 7 Paradoxo de raess na prática amada de rede 8 9

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 c b Tabela de expedição em.b (,) c a c d a b c (,2) d a (0,2) 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 20 0

11 amada de rede na Internet amada de transporte: TP, UDP amada de rede Protocolos encaminhamento RIP, OSPF, P 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 2 Endereços IPv Identificadores de 32 bits ada endereço IPv4 identifica uma interface, e não uma estação = amada de rede 22

12 Endereço IP omponente de rede omponente de estação onceito de rede (Sub) Redes IP 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 LN / * redes IP (neste caso os primeiros 24 bits formam a componente de rede) amada de rede 23 lasses de endereços IP Divisão implícita em classes classe 0 rede estação 0 0 rede rede estação estação D 0 Endereço multicast a a a a bits amada de rede 24 2

13 Expedição de datagramas: local IP origem IP destino Outros cab dados descobre que está na mesma rede amada de ligação de dados entrega datagrama a, encapsulado numa trama Rede dest. Sucessor distância / / / amada de rede 25 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 , encapsulado numa trama Encaminhador descobre que E está na rede /24 amada da ligação de dados no encaminhador entrega datagrama a E, encapsulado numa trama Rede dest. sucessor dist. interface /24 - I /24 - I /24 - I (I) (I2) (I3) E amada de rede 26 3

14 Exemplo de uma tabela de expedição Destino ateway Flags Ref Use Interface UH lo U 2 3 eth U eth U 2 25 ppp U 3 0 eth U eth Três redes: , , Um endereço multicast: Entrada por omissão: amada de rede 27 estão de endereços IP: objectivos Utilização eficiente dos endereços Rede necessita de 300 endereços É-lhe atribuído um bloco de endereço de classe, 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 32 blocos de endereços de classe, num total de 860 endereços Tabelas de expedição têm que ter 32 entradas à conta desta organização! amada de rede 28 4

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 2 Expedição por prefixo mais longo que emparelha o endereço destino do pacote omponente de rede omponente de estação /23 amada de rede 29 gregação de endereços IP Organização /23 Organização /23 Organização /23 Organização / Endereço IP destino Máscara da organização Endereço base da organização ISP2 ISP / /6 Internet amada de rede 30 5

16 Expedição por prefixo mais específico Organização /23 Organização mudou do ISP para o ISP 2 mas manteve o seu bloco de endereços IP Organização /23 Organização /23. ISP / Internet Organização /23 ISP / /23 amada de rede 3 Tries 0 * Tabela de expedição 00 I 00(I) 0 0 (I) 000 I2 00 I (I4) 00 0(I3) (I4) 00 I2 000(I2) 00(I2) 00 0 I3 000 I (I2) I I4 amada de rede 32 6

17 Tries balanceadas * (D) 0 Tabela de expedição 00 I 00(I) 0 0 (I) 000 I2 0(D) 00 I (I4) 00 00(D) 0(I3) 0(I) (I4) 00 I2 0000(I) 000(I2) 000(D) 00(I2) 00 0(I3) 0 I3 000 I (I2) folhas novas assumem interface de antepassado mais próximo 00(I3) I I4 amada de rede 33 Rede do Lab LT5 S.253 (0/) R2. (0/0) / /30 RIP serie / (0/) R.42 (0/0/0).5 (0/0) / R3.253 (0/).2 (0/0) OSPF.6 (0/0) R4.254 (0/0/0).254 (0/) S / /24 amada de rede 34 7

18 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) P: order ateway Protocol amada de rede 35 Internet S de trânsito Tier- S de trânsito Tier-2 S de trânsito Tier-3 S multi-terminal S terminal Relação fornecedor cliente Relação de paridade amada de rede 36 8

19 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 37 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 38 9

20 OSPF hierárquico Encaminhamento intra-área: estado-da-ligação Encaminhamento inter-área: vector-distância Toda a comunicação inter-área atravessa a área 0 Área 2 Área 3 Área 0 Área amada de rede 39 order ateway Protocol (P) 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 P (EP) e Internal P (IP) Opera sobre TP amada de rede 40 20

21 LOL-PREF tributos do P 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 ip amada de rede 4 Encaminhamento inter-domínio PREFERÊNIS cliente par fornecedor EXPORTÇÕES Para De cliente par fornecedor cliente V V V par V X X fornecedor V X X amada de rede 42 2

22 Tabela de expedição I / Tabela de expedição de Rede Sucessor / ip / / IP /24 I0 Ligação dados /22 ep ip rquitectura de um encaminhador terminação de linha terminação da ligação de dados consulta de endereço, expedição, fila-de-espera Tecido de comutação tabela de expedição Processador de encaminhamento amada de rede 44 22

23 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; escalonamento e gestão activa de fila-de-espera n Tecido de comutação Tecido de comutação amada de rede 45 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 loqueio de princípio de fila (HOL) HOL amada de rede 46 23

24 natomia de um datagrama IP 32 bits DSP 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 DSP protocolo endereço IP fonte comprimento do datagrama sinal. offset checksum endereço IP destino opções (comprimento variável) dados da camada de transporte (comprimento variável) amada de rede 47 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) 480 s. frag =0 offset =0 offset =480 offset = amada de rede 48 24

25 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 49 ircuitos virtuais (Vs) Sinalização para estabelecimento e terminação circuito abeçalho contém identificador de V Potencial controlo de admissão Potencial reserva de recursos Interface entrada V entrada Interfac e saída Interface entrada V saída V entrada Interface saída D V saída amada de rede 50 25

26 Engenharia de tráfego Datagramas ircuitos virtuais amada de rede 5 Multi-Protocol Label Switching (MPLS) etiqueta T S TTL T (traffic class) Distinção de tratamentos nos nós da rede S Indicador de última etiqueta TTL Número de saltos X Y Z LER de ingresso LSR LSR LER de egresso LER Label edge router LSR Label switch router amada de rede 52 26

27 Hierarquia R R2 X Y Z LER de ingresso LSR LSR LER de egresso R R2 amada de rede 53 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 28 bits Não permite fragmentação Não tem checksum amada de rede 54 27

28 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 32 bits rótulo de fluxo próximo cab. endereço IP fonte endereço IP destino lim. saltos dados da camada de transporte (comprimento variável) amada de rede 55 Representação de endereços IPv6 Endereço IPv6 28 bits separados por dois-pontos em 8 campos cada campo de 6 bits representado por 4 caracteres hexadecimais 200:0D8:30F:0000:0000:7000:0000:40 200:D8:30F:0:0:7000:0:40 200:D8:30F:0:0:7000:0:40 200:D8:30F::7000:0:40 (zeros à esquerda) (zeros à direita) (campos sucessivos de zeros) amada de rede 56 28

29 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 57 Pilha dupla IPv6 IPv6 IPv4 IPv4 IPv6 IPv6 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 58 29

30 Túnel IPv6 IPv6 IPv6 IPv6 E F IPv6 IPv6 IPv4 IPv4 IPv6 IPv6 D E F IPv6 Fluxo: X IP fonte: IP dest.: F IPv4 Proto: IP-IP IP fonte: IP dest.: E IPv4 Proto: IP-IP IP fonte: 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 59 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 60 30

31 Virtual Private Networks (VPN) Internet IP-IP R R /6 IRT site R /6 IRT site 3 IRT site /6 amada de rede 6 Network ddress Translation (NT) Internet /24 R /24 R /6 R site /24 R /6 R site 3 R site /6 amada de rede 62 3

32 Tabela NT LN NT WN LN WN : : : : : : : :390 amada de rede 63 Difusão (broadcast) Fazer com que pacotes enviados por uma fonte cheguem a todos os outros nós da rede amada de aplicação aplicações peer-to-peer amada de rede amada de ligação de dados determinação de endereços M inerente ao preenchimento das tabelas de expedição M dos comutadores amada de rede 64 32

33 Difusão: questões fundamentais Emulação com unicast Participação dos nós da rede D D Envio desnecessário de cópias estão dos endereços unicast Mecanismos para impedir ciclos e tempestades de difusão amada de rede 65 Técnicas de difusão Pacotes numerados sequencialmente por cada fonte difusão de um pacote de uma fonte apenas se o seu número de sequência for mais recente do que o registado relativamente a essa fonte Expedição por caminho inverso difusão de um pacote de uma fonte apenas se o pacote for recebido pela interface cujo encaminhamento unicast conduz à fonte desse pacote riação prévia de uma árvore abrangente partilhada evita ciclos e tempestades de difusão omplementarmente pacotes creditados com um número máximo de saltos amada de rede 66 33

34 Árvore abrangente centrada E é o nó de rendez-vous 3 F 4 E 2 D 5 F E D desão de cada nó à árvore Árvore abrangente amada de rede 67 Multicast Fazer com que pacotes enviados por uma fonte cheguem a um grupo de nós da rede Identificação do grupo de nós destinatários endereçamento multicast Árvore multicast por fonte expedição depende do endereço multicast e do endereço fonte modo denso modo esparso Árvore multicast partilhada expedição depende apenas do endereço multicast Árvores híbridas amada de rede 68 34

35 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 69 Multicast: IMP e árvores LN IMP LN LN LN LN amada de rede 70 35

36 Expedição multicast (*,) (S,) (S2,) (S3,) S S3 S S3 S2 S2 Árvore de grupo partilhada Árvores de fonte PIM-DM: árvore de fonte S S S S prune 36

37 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 37