Redes de Computadores por fldotti@inf.pucrs.br
Redes de Computadores Nível de Rede Algoritmos de Roteamento - Link State Protocolo OSPF Redes de Computadores 2
Algoritmos de Roteamento - Link State Redes de Computadores 3
Nível de Rede na Internet - Roteamento Link-state Algoritmo de Link State desenvolvido para resolver problemas do Vetor de Distâncias em 1988 o Core System passou a operar com Link-State (protocolo SPREAD - não documentado na literatura) e processadores Butterfly vários protocolos posteriores usam tecnologia Link-State (também chamada SPF - Shortest Path First) IS-IS da OSI OSPF da IETF (considerado substituto do RIP) Redes de Computadores 4
Nível de Rede na Internet - Roteamento Algoritmo de Vetor de Distâncias: positivos simples somente duas mensagens e uma tabela aceitável se topologia simples com falhas raras negativos não tem boa escalabilidade mensagens grandes mensagens proporcionais ao nro total de redes todos roteadores tem que participar: quantidade de mensagens alta em alguns casos as rotas são computadas vagarosamente devido a contagem ao infinito neste tempo, a rede pode estar em um estado transiente onde loops podem ocorrer e causando eventual congestionamento temporário Redes de Computadores 5
Nível de Rede na Internet - Roteamento Link-state Algoritmo de Link State cada roteador participante mantém uma mapa da rede (informação sobre topologia) - o qual é atualizado conforme as modificações que a rede exibir cada roteador testa o estado de seus vizinhos periodicamente propaga mensagens de atualização do estado de seus links (linkstate), caso tenha mudado, para roteadores no mapa a cada mensagem recebida o roteador atualiza seu mapa com links up/down - ou acrescenta link se estado muda o roteador recalcula as rotas mais curtas dele até outros roteadores algoritmo de Dijkstra (Shortest Path) Redes de Computadores 6
Nível de Rede na Internet - Roteamento Link-state Vantagens: tamanho e freqüência das mensagens não depende de toda a rede mas das mudanças no estado dos links mais fácil de depurar problemas pois mensagem trafega sem modificação rotas tão precisas quanto calculadas centralmente, mas calculo é distribuído Redes de Computadores 7
Nível de Rede na Internet - Roteamento Link-state Dijkstra - menor caminho 1. Inicialize o conjunto E contendo somente o nodo fonte S, e R contendo todos os outros nodos. Inicialize a lista de caminhos O contendo os caminhos de 1 segmento que partem de S. Cada segmento tem custo igual ao valor da métrica. Ordene O em em forma crescente. 2. Se a lista O está vazia, ou se o primeiro path tem métrica infinita, marque todos os nodos em R como inalcançáveis e termine o algoritmo. 3. Examine P, o menor caminho de O. Remova P de O. Atribua a V o último nodo em P. Se V já está em E, volte ao passo 2. Senão P é menor caminho para V, retire V de R e adicione em E. 4. Construa um conjunto de caminhos candidatos concatenando P e e cada um dos enlaces iniciando em V. O custo destes caminhos é o resultado da soma do custo de P e a métrica do enlace adicionado. Insira-os em O em ordem crescente. Volte ao passo 2. www.dgp.toronto.edu/people/jamesstewart/270/9798s/laffra/dijkstraapplet.html www.inf.pucrs.br/~fldotti/redes/algdijkstra/dijkstraapplet.html Redes de Computadores 8
Protocolo OSPF - Open Shortest Path First Redes de Computadores 9
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Informações e procedimentos de cada roteador: base de links tabela de roteamento roteadores testam links (e vizinhança) periodicamente (OSPF - Hello Protocol) quando roteadores estabelecem comunicação, eles devem sincronizar suas bases de links (OSPF - exchange protocol) e manter as bases de links atualizadas (OSPF - flooding protocol) Redes de Computadores 10
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF A Exemplo de mapa 3 4 D 1 2 6 B E obs: somente ligações ponto a ponto 5 C De Para Enlace Métrica A B 1 1 A D 3 1 B A 1 1 B C 2 1 B E 4 1 C B 2 1 C E 5 1 D A 3 1 D E 6 1 E C 5 1 E B 4 1 E D 6 1 Redes de Computadores 11
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Presença de falhas em caso de rede seccionada partes separadas evoluem independentemente novos nodos, redes, etc. retorno de conectividade: não basta passar informação de que o link está novamente ativo necessidade de ressincronizar bases de dados (tabelas de links) ressincronização em duas fases: roteadores trocam descrições de suas bases de dados comparam números de seqüência e novos links roteadores pedem cópia completa dos registros dos links (OSPF exchange protocol: link state request, link state update) Redes de Computadores 12
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Segurança procedimento de flooding (espalhamento de updates) usa confirmação passo a passo pacotes transferidos de forma segura (correção de erros) mensagens autenticadas informação de links é retransmitida de tempos em tempos: para cada registro de link é mantido um timer, o registro é retirado da base de dados se a informação não for reconfirmada ( soft-states ) originalmente o protocolo foi projetado para operar sem esta proteção, entretanto em em 1983 (Radia Perlman) foi demonstrada a necessidade de proteção da base de dados contra corrupção devido a fatores como: falhas durante procedimentos de sincronização, erros de memória, introdução má intencionada de informações freqüência: 30 minutos Redes de Computadores 13
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Multiplas métricas diferentes mídias, diferentes necessidades métricas para: vazão atraso custo confiabilidade manter diferentes métricas para cada link mesmo grafo - base de links computar tabelas de roteamento diferentes para cada métrica roteamento: considerar o tipo de serviço do pacote de dado e escolher a métrica apropriada -> isto é: escolher a tabela de roteamento para a métrica apropriada Redes de Computadores 14
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Multiple-path caminhos múltiplos para um mesmo destino está provado matematicamente que dividir tráfego em vários caminhos é mais eficiente atraso médio é menor variações no atraso são menores tolerância a falhas leva a desordenação de pacotes extensões ao SPF são relativamente simples calcular a fração de tráfego que pode passar em cada caminho pode ser complexo Redes de Computadores 15
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Áreas Redução do tamanho da base (mapa) Tempo de processamento das rotas Redução do volume de mensagens de atualização Roteamento hierárquico: divide a rede em um conjunto de partes independentes interligadas por um área de backbone. Os mapas de área incluem somente o estado do enlaces da área Flooding ocorre somente até os limites da área Rotas são calculadas somente para os enlaces da área gateway externo exporta e importa informações de rotas rotas importadas são publicadas via summary records summary records não mantém informações de links e nodos (expandindo o grafo da rede) mas apenas redes alcançáveis pelo roteador de borda e suas distâncias Redes de Computadores 16
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Áreas - OSPF (cont) versão mais recente: stub area permite definir roteador default escalabilidade rotas externas não precisam ser registradas - usa sempre roteador default Redes de Computadores 17
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Áreas Roteadores da Área de Backbone Area Border Routers Eles mantém uma mapa para cada área Emitem mensagens contendo summary links Roteadores de Borda Exterior External Border Routers Redes de Computadores 18
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Áreas e Sistema Autônomo: roteador interno roteador com todas as redes diretamente conectadas pertencendo à mesma área roteador de borda de área roteador acoplado a múltiplas áreas rodam uma cópia do algoritmo básico para cada área e uma adicional para a área backbone condensam informação topológica das áreas e repassam sumários para as mesmas roteadores do backbone um roteador de borda com interface para o backbone. Roteadores com todas interfaces conectadas ao backbone são roteadores internos publicam à área backbone - área backbone publica para outras áreas roteadores de borda de Sistema Autônomo roteador que troca informações de rotas com outros sistemas autônomos tem rotas externas ao AS que são publicadas aos roteadores do AS classificação independente das demais: qualquer roteador pode ser AS boundary router - não necessariamente roteador do backbone. Redes de Computadores 19
Representa rede de acesso múltiplo como nodo do grafo Alcance de RotBA para RotBSA Alcance de RotBA para redes do SA Alcance de RotBSA para redes externas Redes de Computadores 20
Summary links sobre destinos da Área 1 Alcance de RotBSA para redes externas Summary links sobre destinos da Área 3 - só tem uma entrada - custo indiferente Summary links sobre destinos da Área 2 Redes de Computadores 21
Qual a base de links da area 2? Redes de Computadores 22
RT5 RT7 RT8 RT10 RT11 N6 N8 RT5??? RT7?? 0 RT8 0 RT10 0 0 RT11 0 N6 1 1 1 N7 4 N8 3 2 N1??? N2??? N3??? N4??? Ia,Ib??? N9-N11,H1??? N12?? N13? N14? N15? Qual a base de links da area 2? Redes de Computadores 23
RT5 RT7 RT8 RT10 RT11 N6 N8 RT5 6 11 13 RT7 17(?) 19(?) 0 RT8 0 RT10 0 0 RT11 0 N6 1 1 1 N7 4 N8 3 2 N1??? N2??? N3??? N4??? Ia,Ib??? N9-N11,H1 24(?) 4 1 N12 8 3 N13 8 N14 8 N15 9 Para cada um de N1..N4: usa RT4 ou RT7? Ver tab do backbone Qual a base de links da area 2? Redes de Computadores 24
B) N0 2 5 A) E se a topologia fosse modificada da seguinte maneira, o que mudaria nas bases de links das áreas? A) adição da ligação na área 1 B) adição de rede na área 1 Como estas mudanças nas bases de links acontecem? (através de que procedimentos?) Redes de Computadores 25
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Base de Informações nodos representam roteadores arcos representam conectividade redes de acesso múltiplo também são representadas por nodos G1 G2 Rede N Conexão gateway-rede G1 N G2 Representação interna na base OSPF Redes de Computadores 26
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Área: qual o conteúdo da tabela de roteamento de RT 3? Redes de Computadores 27
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Área: conhece topologia interna da área sabe todas as redes do SA e o roteador de saída da área para cada rede sabe distâncias até roteadores de borda de SA sabe destinos alcançáveis de cada roteador de borda Redes de Computadores 28
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Backbone - Área: funciona como uma área tem roteadores de borda entre áreas e área-backbone áreas trocam rotas resumidas com a área-backbone e vice versa área backbone tem função de conectar áreas e passar informação das outras áreas para cada área área-backbone tem que ser contígua ou ter um virtual-link estabelecido entre roteadores virtual link serve para passar o tráfego OSPF Redes de Computadores 29
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Stub-Área: é uma área que tem somente um roteador de saída não é necessário repassar informações de roteamento externo para os roteadores internos da área todo destino é roteado pela mesma saída Redes de Computadores 30
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF network Autonomous System Boudary Router Redes de Computadores 31
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Composto de 3 subprotocolos: HELLO, EXCHANGE, FLOODING Redes de Computadores 32
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Subprotocolos funcionam dentro das áreas roteadores de área (area border routers) participam de mais de uma área publicam informação entre as áreas Redes de Computadores 33
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Protocolo Hello Usado para: verificar se links estão operacionais conhecer roteadores vizinhos estabelecer nova relação de visinhança administrar situações de redes de acesso múltiplo Redes de Computadores 34
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Protocolo Exchange Quando dois roteadores estabelecem uma conexão devem sincronizar suas bases de dados. A sincronização inicial é feita pelo protocolo exchange. Roteadores com bases sincronizadas usam flooding para informar novos links / estados de links Redes de Computadores 35
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Presença de falhas em caso de rede seccionada partes separadas evoluem independentemente novos nodos, redes, etc. retorno de conectividade: não basta passar informação de que o link está novamente ativo necessidade de ressincronizar bases de dados (tabelas de links) ressincronização em duas fases: roteadores trocam descrições de suas bases de dados comparam números de seqüência e novos links roteadores pedem cópia completa dos registros dos links (OSPF exchange protocol: link state request, link state update) Redes de Computadores 36
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF - Presença de falhas A 1 2 B C Falha de comunicação 3 4 D Duas versões do mapa Mapa 1 - AD E A B 1 inf 2 B A 1 inf 2 D E 1 inf 2 5 Mapa 1 -BCE A B 1 inf 2 B A 1 inf 2 E D 1 inf 2 Redes de Computadores 37
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF - Presença de falhas A 1 2 B C Falha de comunicação 3 4 D E 5 Mapa BCE sofrerá atualizações que não serão refletidas no AD Mapa 1 -BCE A B 1 inf 2 B A 1 inf 2 B C 2 inf 2 C B 2 inf 2 E D 1 inf 2 Redes de Computadores 38
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF - Presença de falhas Ao restabelecer a comunicação entre AD e BCE é necessário que ocorra um processo de sincronização Protocolo Exchange Sincronização - data base description packets 1.ª fase: nodo distribui o seu mapa 2.ª fase: solicita aos vizinhos os registros interessantes 3.ª fase: retorno ao processo normal de flooding Redes de Computadores 39
Nível de Rede na Internet - Roteamento OSPF Protocolo Flooding Quando link modifica seu estado, o roteador responsável pelo link deve emitir uma nova versão do estado do link Sincroniza as bases de dados entre roteadores OSPF Redes de Computadores 40
Protocolo Hello O protocolo envia mensagem hello em cada link periodicamente para estabelecer e testar alcance de vizinhos vizinho novo -> dispara processo de exchange Redes de Computadores 41
Protocolo Hello E redes de acesso múltiplo? Roteador entra na rede e encontra vários vizinhos com quem sincronizar? como fica a base de links? N x (N-1) adjacências (ou Nx(N-1)/2 se bidirecionais) E redes de acesso múltiplo sem broadcast? Ex.: X.25 Tráfego entre todos? Redes de Computadores 42
Protocolo Hello Roteador mestre que é responsável por notificações de roteamento a todos os outros roteadores da rede e, receber informação do estado dos links de todos os roteadores adjacentes Necessidade de roteador mestre como eleger? e se ele falhar? Redes de Computadores 43
Protocolo Hello Eleição do mestre cada mensagem Hello contém a prioridade do roteador (pré-estabelecida) em cada rede, roteadores se candidatam a roteador mestre e roteador backup todos roteadores da rede calculam o mestre e o backup com base nos mesmo critérios fluxo e cálculo contínuos: se mestre falha é recalculado distribuidamente. Redes de Computadores 44
Protocolo Hello Eleição 1) Se um ou vários vizinhos se propõe a ser roteadores backup, o roteador de maior prioridade é selecionado como roteador backup. Em caso de empate o roteador com maior IP é selecionado 2) Se nenhum vizinho se propõe a ser roteador backup, o vizinho com maior prioridade é selecionado, ou em caso de empate o roteador com maior IP é selecionado Redes de Computadores 45
Protocolo Hello Eleição 3) Se um ou vários vizinhos se propõe a ser o roteador mestre, o roteador com maior prioridade é selecionado como o roteador mestre. Em caso de empate o roteador com maior IP é selecionado 4) Se nenhum vizinho se propõe como roteador mestre, o backup é promovido (e passos 1 e 2 tem que acontecer para achar um novo backup) Redes de Computadores 46
Protocolo Hello Eleição do mestre Um roteador não pode propor-se como ambos roteador mestre e backup. Assim, se necessitamos executar o passo 4, devemos reexecutar novamente os passos 1 e 2 para encontrar o novo roteador backup Algoritmo executado permanentemente, e roteadores backup e mestre reavaliados depois da recepção de qualquer pacote hello Redes de Computadores 47
Protocolo Hello Formato das mensagens hello OSPF packet header, type = 1(hello) Network mask Hello Int. Options Priority Dead Interval Designated router Backup designated router IP Neighbor 1... IP Neighbor n Redes de Computadores 48
Protocolo Exchange Quando dois roteadores estabelecem uma conexão, devem sincronizar suas bases de dados. A sincronização inicial é feita pelo protocolo exchange. Em seguida, o protocolo flooding é utilizado para manter a sincronização entre as duas base de dados roteadores que sincronizaram suas bases de links mandam links modificados (na sincronização) via flooding para outros roteadores Redes de Computadores 49
Protocolo Exchange Estabelecimento de mestre - escravo Mestre manda pacotes de descrição de sua base de links Escravo verifica quais links necessita informação completa Escravo faz request destes links Mudança de papéis Redes de Computadores 50
Protocolo Exchange Características Assimétrico: primeiro passo do protocolo é selecionar o master e o slave Após acordo entre estas regras, os dois roteadores trocam a descrição das suas bases de dados. Assim, cada um listará os registros a serem solicitados em um estágio posterior O protocolo exchange utiliza o database description packet para troca de informações nas sincronizações Redes de Computadores 51
Protocolo Exchange OSPF packet header, type = 2 (dd) 0 0 Options 0 IMMs DD sequence number Link State type Link State ID Advertising router Link state sequence number Link state checksum Link State age - - - Redes de Computadores 52
Protocolo Exchange Data base description packet Primeira palavra de 32 bits, após cabeçalho, é totalmente nula, com exceção do octeto options e do IMMs (Initialize, More, Master-Slave) Conteúdo deste pacote é um conjunto descrições de registros de estado dos enlaces (link state), tais como: ID, advertising router, sequence number, checksum e age Redes de Computadores 53
Protocolo Exchange O roteador que deseja o procedimento de troca realiza os seguintes passos: envia um pacote vazio, com inicialização, bits master-slave setados para 1 e DD sequence number com valor arbitrário not previously seen by the other router o outro roteador concorda em ser slave enviando um pacote ack, com I e M setados em 1 e MS setado para 0 (slave) Redes de Computadores 54
Protocolo Exchange Exceções... Perda de pacotes: time-out Tentativa simultanea de estabelecer troca: algoritmo tie-breaking Se um roteador está esperando um ACK e recebe uma requisição, tal como um pacote DD vazio com os 3 bits de controle (I, M, MS) setados, este comparará o endereço recebido com o seu se o endereço recebido é maior que o seu, este aceita a regra slave e manda um ACK, caso contrário somente ignora o pacote recebido Uma vez que os papéis foram distribuídos, a troca assimétrica inicia Redes de Computadores 55
Protocolo Exchange O master envia a descrição dos registros em sua base de dados em uma seqüência de pacotes DD, o bit I setado para 0, e o M e MS setados para 1, exceto o último pacote Pacotes são numerados seqüencialmente e devem ser enviados um por vez Redes de Computadores 56
Protocolo Exchange Após cada pacote enviado, o slave envia um ACK (pacote DD com mesmos números seqüenciais, mas com bit MS setado para 0 Se o ACK não é recebido no intervalo de retransmissão, o master repete seu pacote Redes de Computadores 57
Protocolo Exchange Se o slave recebe um pacote com os mesmos números seqüenciais, deve repetir o ACK Quando o master transmite sua última descrição de registros, o bit M é setado para 0. Se o slave ainda possui registros para transmitir, envia um ACK com o bit M setado em 1 Redes de Computadores 58
Protocolo Exchange O master continua enviando pacotes com descrição vazia com bit M setado em 0 e aceitando os ACK, até receber um ACK com o bit M setado em 0. Neste ponto, a troca está completa. ACKs também carregam descrições de links Durante uma troca, o master e o slave processam os registros de descrição link state encontrados nos pacotes e nos ACK Redes de Computadores 59
Protocolo Exchange Eles checam primeiro se existe um registro com o mesmo type, advertising router e link state ID na sua base e se este registro tem um maior ou igual seqüência de números. Se a condição é falsa, a descrição do registro é colocada em uma lista de registros a serem requeridos Redes de Computadores 60
Protocolo Exchange Após a troca ser completada, eles solicitam registros através dos link state request packets Redes de Computadores 61
Protocolo Exchange link state request packets OSPF packet header, type = 3 (rq) Link State type Link State ID Advertising router - - - Redes de Computadores 62
Protocolo Exchange Link state request packets Estes pacotes contêm um conjunto de identificadores do registro de estado dos enlaces (link state) Cada registro é descrito por palavras de 32 bits: tipo do registro, identificador do registro e identificador do advertising router Redes de Computadores 63
Protocolo Exchange Link state request packets Na recepção desta requisição, um roteador envia com conjunto atualizado de link state, usando o mesmo procedimento de flooding para novos valores no registro Cada vez que uma atualização é recebida, a identificação do registro é removida da lista de requisições de registros Redes de Computadores 64
Protocolo Exchange Link state request packets A lista não deve ser muito longa para poder ser transmitida em um requisição simples, caso seja muito longa o roteador envia somente o início da lista no pacote de requisição Deve ser feita um requisição por vez, se os registros solicitados não são atualizados no intervalo de retransmissão, devem ser novamente solicitados Redes de Computadores 65
Protocolo Exchange Quando link modifica seu estado, o roteador responsável pelo link deve emitir uma nova versão do estado do link Sincroniza as bases de dados entre roteadores OSPF Redes de Computadores 66
Link State - Flooding A 1 2 B C Falha de comunicação 3 4 D 6 E A e B detectam a falha A e B alteram os registros na base de dados pelos quais são responsáveis A gera atualização para D e B para C e E C, D e E irão desencadear novas atualizações 5 Redes de Computadores 67
Flooding D enviará para E, C enviará para E e E enviará para C e B Loop? Algoritmo Prevenção do loop é feita pela utilização de um número de seqüência no pacote de atualização Recebe mensagem Seleciona registro na base se o registro não está presente então adiciona e envia uma mensagem em broadcast para os vizinhos, exceto pelo enlace pelo qual foi recebida Redes de Computadores 68
Flooding senão se o número de seqüência da entrada na base < o número de seqüência da mensagem então atualiza e gera broadcast senão se número da base > o número de seqüência da mensagem então senão gera uma nova divulgação atualiza o número de seqüência da mensagem envia a mensagem para interface pela qual foi recebida se os números de seqüência são iguais não faz nada. Redes de Computadores 69