Arquitectura de Redes Routing Dinâmico Link State OSPF 1 Algoritmos de encaminhamento estado das ligações (link state) 2 Os protocolos do tipo Link State mantêm uma tabela de informação topológica muito mais complexa que os Distance Vector; Os routers que usam protocolos LS têm uma visão global da topologia da rede e não apenas da sua vizinhança imediata como é o caso dos DV; Estes protocolos usam Link State Packets ou Hello Packets para informar os outros routers da rede sobre o estado de ligações remotas; A descoberta da rede, nos LS, é muito diferente dos DV: Routers enviam regularmente pacotes Hello aos routers adjacentes que informam sobre o estado das suas ligações; Routers trocam a base de dados sobre a topologia da rede que conhecem com routers adjacentes; Depois compilam toda a informação recebida para (re)construir a imagem topológica da rede; Correm um algoritmo Shortes Path First sobre o grafo da topologia e calculam os melhores caminhos para cada uma das redes derivando a tabela de encaminhamento; A lista de melhores caminhos (não apenas os mais curtos...) para cada uma das redes irá dar origem à tabela de routing a ser usada (rotas com igual custo podem ser utilizadas para load-balancing) Os LSs olham para a largura de banda das ligações e níveis de congestão, podendo assim concluir a melhor rota, de uma forma mais correcta.
Link state - convergência 3 Quando um router se apercebe da alteração do estado de uma ligação ou de mudanças na topologia, envia esta informação para todos os routers adjacentes; Um router que participe numa rede com este protocolo deve efectuar as seguintes operações: Manter os nomes dos vizinhos e saber o custo e estado destas ligações; Criar LSPs (Link State Paths) que listem os nomes dos vizinhos e os custos associados; Enviar estes LSPs para todos os routers adjacentes que participem nesta rede com este protocolo de encaminhamento; Receber os LSPs dos outros routers e actualizar a sua própria base de dados; Construir um mapa com toda a topologia a partir dos LSPs recebidos e calcular o melhor caminho para cada uma das redes destino possíveis. Link State vs Distance Vector 4 Link State Exigem mais memória e mais processamento; Consomem mais largura de banda no arranque; Após início apenas são enviadas actualizações de topologia; Podem utilizar Largura de Banda e níveis de congestão como métricas (este tipo de métricas pode levar a oscilações na topologia); Tempos de convergência reduzidos; Podem usar source-routing; Utilização do ToS do IP; Distance Vector Mais simples de implementar; Consumo de recursos computacionais menor; Usam informação calculada por outros routers; Usam saltos para decidir os melhores caminhos; Dados sobre as tabelas de rota são enviadas frequentemente (30s);
SPF ou Algoritmo de Dijkstra: R1 R2 8 R3 16 8 8 13 4 10 12 26 18 R4 R5 5 C(i,j) custom entre i e j D(v) valor corrente da distância a v S conjunto de nós a solucionar M conjunto de nós cujo destino mais curto é conhecido Inicialização: M = {R1} for all nodes in S if v adjacent to R1 then D(v) = c(r1,v) else D(v) = infinity While nodes in S find w in S such that D(w) is a minimum add w to M remove w from S update D(v) for all v adjacent to w and in S: D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) ) SPF ou Algoritmo de Dijkstra: 6 Shortest-Path First (SPF): Algoritmo, que a partir da base de dados de estado das ligações, conduz a uma representação gráfica idêntica, calculando uma árvore com os caminhos mais curtos para cada destino (Shortest Path Tree). Shortest-Path Tree: Árvore dá a rota para qualquer rede ou terminal destino; É utilizada para construir a tabela de encaminhamento; Algoritmo SPF origina uma árvore diferente para cada router (a raíz da árvore é o router em causa), apesar da base de dados ser idêntica, pois cada router ocupa um lugar diferente na topologia.
SPF ou Algoritmo de Dijkstra Shortest-Path Tree 8 16 R1 R2 R3 12 26 7 R4 R5 Vantagens do OSPF - RFC2328 8 Suporta encaminhamento com base no ToS (tipo de serviço); Suporta load balancing (balancear o tráfego pelas ligações); Permite a partição duma AS em áreas e efectuar encaminhamento de uma forma hierárquica; Permite autenticação na troca de mensagens entre routers; Suporta rotas específicas de terminal e de rede; Suporta máscaras com vários tamanhos (VLSM) Suporta multicast Importa rotas exteriores (RIP e EGP) para a sua base de dados; Tem convergência rápida; Não tem limitação de Hop Count; Processa as actualizações eficientemente; Selecciona o caminho baseado na largura de banda das ligações e na sua ocupação; Muito escalável.
Estrutura hierárquica de uma AS OSPF (I) 9 Áreas Uma área OSPF consiste num número de redes e routers que estão logicamente agrupadas; Definidas por localização, por região ou razões administrativas; Todos os AS OSPF consistem em pelo menos uma área, o backbone, mais tantas áreas quantas as necessárias, de acordo com o critério de desenho do AS; Dentro duma área OSPF todos os routers têm conhecimento da mesma topologia de rede interna à área; Routers interiores à área não têm conhecimento da topologia das redes externas à área, apenas conhecem as rotas para esses destinos; Conceito de área limita o tamanho da base de dados topológica que tem que ser mantida pelos routers; Impacto directo no processamento a executar por cada router e na quantidade de informação de estado das ligações que tem que ser inundada em todos os routers. Estrutura hierárquica de uma AS OSPF (II) 10 Backbone: Tem todas as propriedades duma área normal, mas tem a responsabilidade acrescida de distribuir a informação de encaminhamento entre as áreas ligadas a ele. Intra-Area Routers (IARs) ou internos: Routers situados completamente dentro duma área OSPF. Area Border Routers: Routers que ligam duas ou mais áreas; ABRs mantêm tantas topologias de rede quantas as áreas às quais estão ligados e dão conhecimento a cada área, a que estão ligados, das rotas para atingir outras áreas. Também desempenham as funções de IAR AS Boundary Routers (ASBR): Routers que estão situados na periferia dum AS e que trocam informação de rotas com routers em outros AS, usando EGP; Routers que importam rotas estáticas ou rotas de outros IGP (RIP, por exemplo) para um AS; ASBR inundam todas as áreas (excepto as áreas stub) do AS com rotas para destinos externos do AS. Também desempenham as funções de IAR
Estrutura hierárquica de uma AS OSPF (III) RIP Área 0 (Backbone) IARs ASBR EGP ABR ABR Área 1 Área 2 AS externo 11 IARs IARs Área Stub 12 Área configurada com uma rota por defeito para atingir o mundo exterior. As redes externas ao AS não são injectadas neste tipo de área. Reduz o tamanho da base de dados topológica da área assim como os requisitos de memória dos routers. Impossibilidade de a usar como área de trânsito. Usada por exemplo quando apenas existe um ABR para a área. Exemplo: a área 1 do slide anterior.
Tabela de encaminhamento 13 Base de dados dos estados das ligações: Directed graph ou topological database; Criada a partir dos link state advertisements gerados pelos routers na área. Tabela de encaminhamento: Contém entradas para cada destino: rede, sub-rede ou terminal; Para cada destino, existe informação para um ou mais tipos de serviço (ToS); Para cada combinação de destino e ToS, existem entradas para um ou mais caminhos óptimos a serem usados; Gerada por SPF. Routers 14 Routers adjacentes routers vizinhos (1 hop, bidireccional) com as suas bases de dados topológicas sincronizadas através da troca da informação de estado das ligações, trocada somente entre routers adjacentes; Todas as redes multi-acesso têm um Designated Router (DR) e um Backup Designated Router (BDR). Estes routers são eleitos automaticamente para cada rede, uma vez descobertos os routers vizinhos pelo protocolo Hello; O DR desempenha duas funções chave numa rede: Gera network links advertisements que listam os routers ligados a uma rede multi-acesso. Forma adjacências com todos os outros routers numa rede multi-acesso, para minimizar trocas de informação entre routers ligados na mesma rede. Deste modo é o responsável por distribuir todos os link state advertisements (LSA) nessa rede. O BDR forma as mesmas adjacências que o DR. É capaz de assumir as funções do DR, logo que detecte que o DR falhou. Quando existe um DR e BDR na rede os outros routers apenas formam adjacências com o DR e BDR para essa rede.
Routers Routers adjacentes DR BDR A adjacência com o BDR permite trocar LSAs com este. Assim, o BDR tem a mesma informação que o DR podendo substituí-lo rapidamente em caso de necessidade. 15 DR BDR Anúncios (advertisements) dos estados das ligações Router Links Network Links DR Anunciados por todos os routers Descreve o estado/custo das ligações do router X Anunciados pelo DR Descreve todos os routers ligados à rede Summary Links External Links 16 Área X ABR Área 0 Área X ASBR Área 0 Anunciados pelo ABR Anunciados pelo ASBR Descreve destinos inter-área e ASBR Descreve redes fora do AS
Características do envio de mensagens OSPF 17 Os pacotes OSPF usam o datagrama IP directamente (não usam TCP ou UDP): No cabeçalho IP, os campos: Protocolo é igual 89; Obter preferência sobre o tráfego IP normal: Type of Service é igual 0; Precedence é igual a internetwork control. Usa endereços IP multicast (224.0.0.5) em redes ponto-a-ponto e broadcast; Usa endereços IP unicast para redes nonbroadcast, usando endereços dos vizinhos que têm de ser configurados em cada router. Cabeçalho comum dos pacotes OSPF Cabeçalho é idêntico em todos os tipos de pacote Tipo 1 Hello 2 Database Description 3 Link State request 4 Link State update Tipo Autent. 0 Nulo, sem autenticação 1 Plaintext Password 2 Autenticação Criptográfica 18 0 8 16 24 31 Versão Tipo Comprimento Router ID Area ID Checksum Tipo Autent. Autenticação Autenticação
Pacote Hello OSPF 19 Hello responsável pela descoberta dos routers vizinhos numa rede, e pelo estabelecimento e manutenção de relações entre eles; Pacotes Hello são enviados periodicamente em todas as interfaces dos routers (período indicado por Hello Interval); Prioridade do router - Número configurável por interface indicando a prioridade do router na selecção do DR e do BDR. Um router com prioridade zero indica que esse router é inelegível como (B)DR. Opções indica capacidades extras do router; RouterDeadInterval número de segundos até declarar incomunicável um router silencioso; Neighbor vizinhos do router que estão comunicáveis. Cabeçalho comum Network mask Area ID Hello interval Opções Router Prio RouterDeadInterval Designated Router Backup Designated Router Neighbor IP 1 Neighbor IP 2... Pacote Database Description (DD) Os routers adjacentes trocam mensagens do estado das ligações mensagens na inicialização; Ligação é Master Slave, indicado pelo campo MS I se 1 determina que o pacote é o primeiro de uma série. M se 1 indica que existirão mais pacotes de descrição. DD serve para quando são enviados vários pacotes de descrição se conseguir saber perdas. O primeiro valor é enviado no pacote com o campo I a 1. 0 8 16 24 31 Cabeçalho comum Interface MTU Opções DD número de sequência 0 I M MS 20 LSA Header
Pedido e actualização 0 8 16 24 31 Cabeçalho comum LS type Link State ID Advertising Router... Pedido enviado quando router pensa que a informação que tem está desactualizada. Campos identificadores do LSA são enviados por cada LSA pretendido. 21 Cabeçalho comum Número de LSA LSA Header Actualização enviado quando há modificações no estado dos links Acknowledge e LSA Header 0 8 16 24 31 Cabeçalho comum LSA Header Acknowledge enviado quando há modificações no estado dos links 22 LS age Opções LS type Link State ID Advertising Router LS sequence number LS checksum length 1- Router-LSAs 2- Network-LSAs LS Type 3- Summary-LSAs (IP network) 4- Summary-LSAs (ASBR) 5- AS-external-LSAs LSA Header cabeçalho dos pacotes de informação dos Links LS age tempo há quanto tempo o LSA foi originado LS Seq Number quanto maior mais recente é o LSA
Fases do protocolo OSPF 23 O protocolo OSPF define um dado número de fases (estados progressivos), os quais têm que ser executados pelos routers individuais: Descobrir routers vizinhos; Eleger o Designated Router (DR) e BDR; Inicializar routers vizinhos: Estabelecer adjacências. Propagar a informação de estado das ligações; Calcular tabelas de encaminhamento. Descobrir routers vizinhos R1 R2 R3 R4 R5 Hello 24 Estado Vizinho DOWN INIT TWO-WAY R1 Hello (Sou o R1;não vejo ninguém) Hello (Sou o R2;não vejo ninguém) Hello (R1,R3,R5 já estão na lista) Estado Vizinho R2 DOWN INIT
Descobrir routers vizinhos 25 O estado da interface dum router muda de Down para Waiting assim que os pacotes Hello são enviados sobre as interfaces. Um router recebe pacotes Hello de routers vizinhos através das suas interfaces de rede. Quando isto acontece o estado do vizinho muda de Down para Init. Quando um router se vê listado num pacote Hello, recebido dum outro router, são estabelecidas comunicações bidireccionais entre vizinhos. Somente neste ponto, os dois vizinhos são definidos como verdadeiros vizinhos, e o estado do vizinho muda de Init para Two-Way. A partir deste momento, inicializa-se a eleição de DR e BDR em redes multi-acesso. Eleger o DR (I) 26 O DR e o BDR são eleitos com base nos seguintes campos dos pacotes Hello: Router ID, Router Priority, Designator Router e Backup Designator Router; Router Priority define a prioridade do router na rede. Quanto mais baixo for o valor, mais provável será o router tornar-se DR, ou seja, mais alta é a sua prioridade (um valor de zero impede o router de ser eleito (B)DR). O processo de eleição dum router DR é o seguinte: Os valores correntes para o DR e BDR na rede são inicializados a 0.0.0.0; Os valores correntes para os campos Router ID, Router Priority, Designator Router e Backup Designator Router dos pacotes Hello são registados;
Eleger o DR (II) 27 O processo de eleição dum router DR é o seguinte: Eleição do BDR: Os routers que tenham sido declarados como DR são inelegíveis para se tornarem BDR; O BDR será declarado: O router mais prioritário que tenha sido declarado como um BDR. O router mais prioritário se nenhum BDR tiver sido declarado. Se houver routers de igual prioridade a serem eleitos, o com mais alto Router ID é escolhido. Eleição do DR: O DR será declarado: O router mais prioritário que tenha sido declarado como um DR; em caso de empate o mais alto Router ID. O router eleito BDR se nenhum DR tiver sido declarado. Se o router que leve a cabo a determinação acima é declarado o DR ou o BDR, então os passos anteriores são reexecutados. Isto garante que nenhum router pode declarar-se simultaneamente DR e BDR. O procedimento pode levar a que um mesmo router seja BDR e DR (exceptuando o que faz os cálculos). Eleger o DR RID: 3.3.3.3 P=0 P=1 P=0 Hello RID: 4.4.4.4 P=1 DR P=1 BDR RID: 4.4.4.3 28 Uma vez eleitos, o DR e o BDR prosseguem para estabelecer adjacências com todos os outros routers na rede. A finalização do processo de eleição causa a mudança do estado da interface dos routers de Waiting para DR, para BackupDR, ou para DR Other, dependendo se o router é eleito DR, BDR ou nenhum destes.
Estabelecer adjacências 29 A informação de estado das ligações é trocada somente entre routers adjacentes. Eles têm de ter a mesma base de dados topológica e têm de ser sincronizados. Isto é realizado por um processo chamado database exchange. Database exchange entre dois routers vizinhos ocorre assim que eles tentem criar uma adjacência. O processo consiste na troca de um número de pacotes Database Description (DD) que definem o conjunto da informação de estado das ligações presente na base de dados de cada router. A informação de estado das ligações na base de dados é definida por uma lista de cabeçalhos link state para todos os LSAs existentes na base de dados. Durante o processo database exchange, os routers estabelecem uma relação Master/Slave, sendo o Master o primeiro a transmitir. O Master envia pacotes DD para o Slave para descrever a sua base de dados com informação de estado das ligações. O Slave confirma cada pacote pelo número sequencial e inclui a sua própria base de dados de cabeçalhos de estado das ligações na confirmação/resposta. Estabelecer adjacências 30 Durante a database exchange cada router faz uma lista de LSAs para os quais o vizinho adjacente tenha uma instância mais actualizada; Uma vez o processo completo, cada router pede estas instâncias actualizadas de LSAs, usando Link State Requests; O processo database exchange começa no estado Two-Way e passa por: ExStart: à medida que a adjacência é criada e o Master concorda; Exchange: à medida que as bases de dados topológicas são descritas; Loading: à medida que os Link State Requests são enviados e respondidos (Link State Updates) Full: quando os vizinhos são completamente adjacentes.
Estabelecer adjacências Exchange 31 Estado Vizinho Two-Way ExStart 1 Full 2 R1: ID: 3.3.3.3 R2: ID: 2.2.2.3 DD Seq=y,I, M, Master DD Seq=x, I, M, Master DD Seq=x+1, M, Master... DD Seq=x+n, Master DD Seq=x, M, Slave DD Seq=x+1, M, Slave Link State Request DD Seq=x+n, Slave Link State Update... Link State Request Link State Update Estado Vizinho Two-Way ExStart Exchange 1 R1 ID > R2, logo fica master. R2 adopta seq de R1 Loading Full 2 R1 não necessita de nada de R2 Propagar a informação de estado das ligações 32 A informação sobre a topologia duma rede OSPF é enviada de router para router em LSAs; Os LSAs passam entre routers adjacentes na forma de pacotes Link State Update (LSU); Os Link State Update aparecem como resultado dos Link State Request durante o processo de database exchange, e também aparecem no curso normal de eventos, quando os routers pretendem indicar uma alteração na topologia da rede; É essencial que cada router OSPF numa área tenha a mesma base de dados topológica da rede e, por isso, a integridade da informação de estado das ligações tem que ser mantida: Por esta razão os pacotes Link State Update têm que ser enviados sem perdas ou corrupção através duma área. O processo pelo qual isto é feito é chamado flooding (inundação); Um pacote Link State Update envia um ou mais LSAs um salto para além do router origem. Para tornar o processo de inundação fiável, cada LSA tem que ser confirmado separadamente. Múltiplas confirmações podem ser agrupadas num único pacote Link State Acknowledgement.
Propagar a informação de estado das ligações 33 De modo a manter a integridade da base de dados é essencial que todos os LSAs sejam rigorosamente verificados para manter a validade. As verificações seguintes são aplicadas e o LSA é descartado se: O Link State Checksum é incorrecto; O tipo de Link State é inválido; A idade do LSA atingiu o seu máximo; O LSA é mais velho ou é o mesmo que está na base de dados. Se um LSA passa as verificações acima, então é enviada uma confirmação para o router origem: Se nenhuma confirmação for recebida pela origem, então o pacote original Link State Update é retransmitido depois de um timeout. Uma vez aceite, um LSA é inundado progressivamente nas outras interfaces do router até ele ser recebido por todos os routers internos a uma área. A idade dum LSA tem que ser calculada para determinar se ele deverá ser instalado na base de dados dum router. Somente um LSA mais recente deverá ser aceite e instalado. Os LSAs válidos são instalados na base de dados topológica do router - mapa topológico recalculado e tabela de encaminhamento actualizada. Propagar a informação de estado das ligações / Simplificado Acknowledge LSA imediatemente duplicado Recepção LS Update Ver Novo LSA Novo? Existe mais LSA? Recalcular SPF se necessário Novo (número de Seq maior, Ou LSA iniexistente) 34 Actualizar base de dados LS Determinar itfs para enviar LS updates Flood de LSA
Cálculo da tabela de encaminhamento 35 Cada router numa área OSPF constrói uma base de dados topológica de LSAs válidos e usa-os para calcular o mapa da rede para a área: O router é capaz de determinar a melhor rota para cada destino e inserila na sua tabela de encaminhamento. Cada LSA contem um campo de idade o qual é incrementado enquanto o LSA for mantido na base de dados. Quando a idade atinge MaxAge, ele é excluído do cálculo da tabela de encaminhamento, e re-inundado através da área como um LSA originado recentemente. Os routers constroem a sua tabela de encaminhamento a partir da base de dados de LSA na sequência seguinte: A shortest path tree é calculada a partir dos LSAs Router Links e Network Links; As rotas Inter-área são adicionadas por análise dos LSAs Summary Links; As rotas externas ao AS são adicionadas por análise dos LSAs AS External Links. O mapa topológico, construído a partir do processo descrito acima é usado para actualizar a tabela de encaminhamento. A tabela de encaminhamento é recalculada de cada vez que um novo LSA é recebido. Acrónimos 36 ABR Area Border Router AS Autonomous System ASBR AS Boundary Routers BDR Backup DR DR Designated Router DV Distance Vector EGP Exterior Gateway Protocol IAR Intra-Area Routers IGP Interior Gateway Protocol LS Link State LSA LS Advertisement SPF - Shortest Path First ToS Type of Service