4: nível de rede4a-1 capítulo 4: nível de rede objectivos: r compreender os princípios...

4: Nível de Rede 4a-1

Capítulo 4: Nível de RedeObjectivos: Compreender os

princípios subjacentes ao serviço do nível de rede: Encaminhamento

(selecção do caminho)• routing (path

selection) Problema de escala

• Como é que o router funciona

• Tópicos avançados: IPv6, multicast

Instanciação e implementação na Internet

Visão geral: Princípios do serviço de nível

de rede Princípios de

encaminhamento: selecção do caminho

Encaminhamento hierárquico IP Protocolos de

encaminhamento na Internet Dentro do domínio: intra-

domain Entre domínios: inter-domain


Funções do nível de rede Encaminhar pacotes dos

emissores para os receptores Protocolos de nível de rede em

cada routerTrês funções importantes: Determinação do caminho: rota

percorrida pelos pacotes da origem para o destino – algoritmos de routing

Comutação switching: transferir os pacotes da entrada do router para a saída apropriada

Estabelecimento de chamada: Algumas arquitectura de rede requerem que os routers estabelecem um caminho antes de se iniciar a transferência de dados

RedeLig.

LógicaFísica

RedeLig.

LógicaFísica

RedeLig.

LógicaFísica

RedeLig.

LógicaFísica

RedeLig.

LógicaFísica

RedeLig.

LógicaFísica

RedeLig.

LógicaFísica

RedeLig.

LógicaFísica

AplicaçãoTransporte

RedeLig. lógica

Física

AplicaçãoTransporte

RedeLig. lógica

Física


Modelo de serviço de redeQ: Qual o modelo de

serviço para um canal que transporte pacotes do emissor para o receptor?

Largura de banda garantida?

Preservação do tempo entre pacotes (sem jitter)?

Entrega sem perdas ? Entrega organada? Informação de congestão

ao emissor?

? ??Circuito virtual

ou Datagrama ?

A abstração mais importante do serviço

do nível de rede:

Abst

raçõ

es d

e se

rviço


Circuitos virtuais

Estabelecimento de chamada antes de se iniciar a transferência de dados; no final cancelamento da chamada

Cada pacote transporta o identificador do cirvuito virtual (VC) (não o identificador do destino)

Cada router no caminho entre a origem e o destino mantem o estado de cada ligação que o atravessa Ligações de nível de transporte só envolvem sistemas terminais

Os recursos das ligações e dos routers (bandwidth, buffers) são alocados por VC Desempenho semelhante a um circuito permanente.

“os caminhos entre a fonte e o destino comportam-se de forma semelhante a um circuito telefónico Bom desempenho Acções da rede no caminho entre a fonte e o destino


Circuitos virtuais: protocolos de sinalização

Usados para estabelecer, manter e terminar VC Tecnologias: ATM, frame-relay, X.25 Não utilizados actualmente na Internet

AplicaçãoTransport

eRede

Lig. lógicaFísica


eRede

Lig. lógicaFísica

1. Initiate call 2. incoming call3. Accept call4. Call connected

5. Início do fluxo de dados6. Recepção de dados


Redes datagrama: O modelo Internet Não há estabelecimento de chamada ao nível de rede routers: não há estado sobre as ligações extremo-a-extremo

Não há conceito de ligação ao nível de rede Pacotes tipicamente encaminhados usando o ID do sistema

terminal de destno Pacotes com origem e destino comuns podem utilizar rotas

diferentes


eRede

Lig. lógicaFísica


eRede

Lig. lógicaFísica

1. Send data 2. Receive data


Rede datagrama ou de VCs: porquê?Internet Dados transferidos entre

computadores Serviço elástico sem

restrições temporais. Sistemas Terminais

“inteligentes” Adaptação, controlo e

recuperação de erros Simplicidade da rede,

complexidade na periferia Muitos tipos de ligações

Características diferentes Dificuldade dum serviço

uniforme

ATM Surgiu da telefonia Conversão humana:

Requisitos temporais e de fiabilidade

Necessidade de serviço garantido

Sistemas Terminais “burros” telefones Complexidade na rede


Routing

Grafos usados como modelo de abstração:

Nós - routers Arestas – ligações

físicas Custo da ligaçõa:

atraso, $, ou nível de congestão

Objectivo: determinar um bom caminho (sequência

de routers) entre a origem e o destino

Protocolos de routing

A

ED

CB

F2

21 3

1

12

53

5

“Bons” caminhos: Tipicamente caminhos

mais curtos Outras possibilidade ..


ClassificaçãoInformação global ou

descentralizada?Global: Todos os routers tem a

toplogia completa, custos das ligaçõee

“link state”Decentralizada: Routers sabem os vizinhos a

que estão ligados fisicamente e os custos das respectivas ligações

Processo iterativo de computação, troca de informação entre vizinhos

“distance vector”

Estática ou dinâmica?Estática: Rotas variam lentamente

no tempoDinamica: Rotas variam mais

rapidamente Actualização periódica Em resposta a

alterações de custo em ligações.


Algoritmo de Encaminhamento Estado de Linha (Link-State)

Algoritmo de Dijkstra Topologia da rede, custo das

ligações para todos os nós conhecido Difusão do estado das

ligações Todos os nós têm a

mesma informação Calcula caminhos de menor

custo dum nó para todos os restantes Calcula a tabela de

routing para cada nó iterativo: depois de k

iterações, conhece os caminhos de menor custo para cada destino k

Notação: c(i,j): custo da ligação do

nó i para onó j Custo infinito para nós

que não são vizinhos D(v): valor actual do

custo do caminho da origem até ao destino v.

p(v): nó predecessor bo caminho da origem até ao destino v.

N: conjunto de nós que têm o caminho de menor custo conhecido


Step012345

start NA

ADADE

ADEBADEBC

ADEBCF

D(B),p(B)2,A2,A2,A

D(C),p(C)5,A4,D3,E3,E

D(D),p(D)1,A

D(E),p(E)infinity

2,D

D(F),p(F)infinityinfinity

4,E4,E4,E

A

ED

CB

F2

21 3

1

12

53

5

Algorithmo de Dijsktra: exemplo


Oscilações possíveis: e.g., custo da ligação = quantidade do tráfego

transportado

AD

CB

1 1+e

e0

e1 1

0 0A

DC

B2+e 0

001+e1

AD

CB

0 2+e

1+e10 0

AD

CB

2+e 0

e01+e1

Inicialmente … recalculandoa rota

… recalculando… recalculando

Algoritmo de Dijsktra: discussão


Algoritmo Vector de Distânciaiterativo: Continua até que mais

nenhum nó precise de enviar informação.

self-terminating: não há “sinal” de paragem

assíncrono: Nós não precisam de

transferir informaçãodistribuído: Cada nó só comunica

com os nós que lhe estão adjacentes

Estrutura de dados: Tabela de Distâncias

Cada nó tem a sua própria Linha para cada destino Coluna para cada nó adjacente

que conduz ao destino exemplo: nó X, para o destino Y

através do nó Z

D (Y,Z)X

Distância a partir X paraY, sendo Z o próximo nó

c(X,Z) + min {D (Y,w)}Zw

=

=


Tabela de distâncias: exemplo

A

E D

CB78

12

1

2D ()

A

B

C

D

A

1

7

6

4

B

14

8

9

11

D

5

5

4

2

Ecost to destination via

dest

inat

ion

D (C,D)E

c(E,D) + min {D (C,w)}Dw=

= 2+2 = 4

D (A,D)E

c(E,D) + min {D (A,w)}Dw=

= 2+3 = 5

D (A,B)E

c(E,B) + min {D (A,w)}Bw=

= 8+6 = 14

loop!

loop!


Tabela de Distâncias e Tabela de Routing

D ()

A

B

C

D

A

1

7

6

4

B

14

8

9

11

D

5

5

4

2

Ecost to destination via

dest

inat

ion

A

B

C

D

A,1

D,5

D,4

D,4

Outgoing link to use, cost

dest

inat

ion

Distance table Routing table


Encaminhamento Vector de Distância: overviewIterativo, assíncrono:

cada iteração local causada por:

Alteração do custo da ligação

Mensagem dum nó vizinho: o menor custo a partir desse vizinho para um destino pode ser alterado

Distribuído: Cada nó notifica os

vizinhos apenas quando o menor custo para um destino se altera Os vizinhos só notificam os

vizinhos se necessário

wait for (change in local link cost of msg from neighbor)

recompute distance table

if least cost path to any dest has changed, notify neighbors

Cada nó:


Encaminhamento hierárquico

escala: com 50 milhões de destinos:

Não é possível armazenar todos os destinos nas tabelas de encaminhamento

A transferência das tabelas de encaminhamento entupia as ligações!

Autonomia administrativa internet = rede de redes Cada domínio administrativo

pode controlar o encaminhamento dentro da sua própria rede

Estudo de encaminhamento até agora - ideal Todos os routers são idênticos Rede plana (“Flat”)… não é verdade na prática


Encaminhamento hierárquico Agregação de routers em

regiões, “autonomous systems” (AS)

routers do mesmo AS executam o mesmo protocolo de routing Protocolo de routing:

intra-domínio (“intra-AS”)

routers de AS´s diferentes executam diferentes protocolos de routing

Routers especiais dum AS Executam protocolo de routing

intra-domínio com todos os outros routers do mesmo AS

Também são responsáveis por encaminhar para o exterior do domínio Executa o protocolo de

encaminhamento inter-domínio (inter-AS routing) com os outros gateways routers

gateway routers


Intra-AS and Inter-AS routingGateways:

•Executam routing inter-domínio entre eles•Executam routing intra-domínio com os restantes routers do AS

inter-AS, intra-AS routing in

gateway A.c

network layerlink layer

physical layer

a

b

ba

aC

A

Bd

A.aA.c

C.bB.a

cb

c


Encaminhamento intra e inter domínio

Host h2a

b

ba

aC

A

Bd c

A.aA.c

C.bB.a

cb

Hosth1

Intra-AS routingdentro de AS A

Inter-AS routingentre A e B

Intra-AS routingdentro de AS B


O nível de rede na Internet

Tabelade

routing

Funções de nível de rede num Sistema Terminal e num router:

Protocolos de routing•Selecção de caminhos•RIP, OSPF, BGP

Protocolo IP •Convenções de endereços•Formato dos datagramas•Processamento de pacotes

Protocolo ICMP•Reporte de erros•router “signaling”

Nível de transporte: TCP, UDP

Nível de ligação lógica

Nível físico

Nível derede


Endereçamento IP: introdução Endereço IP :

Identificador de 32-bit Para Sistemas Terminais

e interfaces dos routers interface: ligação entre

Sistemas Terminais, Routers e a ligação física Os routers tem múltiplas

interfaces Os Sistemas Terminais

podem ter múltiplas interfaces

Os endereços IP estão associadas às interfaces, não aos Sistemas Terminais ou aos routers

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001

223 1 11


Endereçamento IP Endereço IP:

Parte da rede (bits mais significativos)

Parte do Sistema Terminal (host) (bits menos significativos)

O que é uma rede ? (na perspectiva do endereço IP) Dispositivos de interface

com um valor comum para a parte do endereço IP que identifica a rede

Pode-se chegar aos vários elementos duma rede sem intervenção do router

Esta rede é constituída por 3 redes IP• Para os endereços IP que começam em 223 • Primeiros 24 bits identificam a rede

LAN

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27


Endereçamento IPComo encontrar as

redes? Identificar cada

interface dum router, host

Criar ilhas de redes isoladas

223.1.1.1

223.1.1.4

223.1.1.3

223.1.2.2223.1.2.1

223.1.2.6

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

223.1.1.2

223.1.7.2

223.1.7.1223.1.8.2223.1.8.1

223.1.9.1

223.1.9.2

Sistema interligadoConstituído por 6 redes


0network host

10 network host

110 network host

1110 multicast address

A

B

C

D

classe 1.0.0.0 to127.255.255.255128.0.0.0 to191.255.255.255192.0.0.0 to223.255.255.255224.0.0.0 to239.255.255.255

32 bits

Dada a noção de rede, vamos re-examinar o endereço IP“class-full” addressing:

Endereçamento IP

Classe Redes STA 27 224

B 214 216

C 221 28


Endereçamento IP : CIDR Endereçamento classful:

Uso ineficiente do espaço de endereçamento, falta de endereços disponíveis

e.g., uma rede de classe B reserva 64K para os sistemas terminais, mesmo que só existam 2K na realidade !

CIDR: Classless InterDomain Routing A parte do endereço que identifica a rede tem um tamanho

arbitrário Formato do endereço : a.b.c.d/x, em que x representa o nº

de bits do endereço que representam a rede

11001000 00010111 00010000 00000000

Parte da rede Parte do ST

200.23.16.0/23 Endereço/prefixo


Endereços IP: Como se obtém um ?Sistemas terminais (parte do Sistema Terminal): hard-coded pelo administrador de sistema num

ficheiro DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol:

endereço IP obtido dinamicamente “plug-and-play” Sistema Terminal envia em difusão “DHCP discover” msg Servidor de DHCP responde com “DHCP offer” msg Sistema Terminal pode endereço IP : “DHCP request” msg Sevidor DHCP envia endereço: “DHCP ack” msg


Rede (Parte da rede): Aloca uma parte do espaço de endereços

reservado para o ISPParte do ISP 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/20

Organization 0 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/23

Organization 1 11001000 00010111 00010010 00000000 200.23.18.0/23

Organization 2 11001000 00010111 00010100 00000000 200.23.20.0/23 ... ….. …. ….

Organization 7 11001000 00010111 00011110 00000000 200.23.30.0/23 8 blocos de igual dimensão

Endereços IP: Como se obtém um ?


Endereçamento hierárquico: agregação de rotas

“Envia-me qualquer pacote com o endereço começado por 200.23.16.0/20”

200.23.16.0/23

200.23.30.0/23

Fly-By-Night-ISP

Organization 0

Organization 7Internet

200.23.18.0/23Organization 1

ISPs-R-Us “Envia-me qualquer pacote com o endereço começado por 199.31.0.0/16”


...

...

Endereçamento hierárquico permite uma distribuição eficiente daInformação de encaminhamento


Endereçamento hierárquico: rotas mais específicasISPs-R-Us tem rotas mais específicas para cada organização (Organização 1)

“Envia-me qualquer pacote com o endereço começado por 200.23.16.0/20”

200.23.16.0/23

200.23.30.0/23

Fly-By-Night-ISP

Organization 0

Organization 7Internet

ISPs-R-Us


“Envia-me qualquer pacote com o endereço começado por 199.31.0.0/16ou 200.23.18.0/23”


...

...


Quando se envia um pacote destino à organização A a selecção do ISP realiza-se comparando com o maior prefixo


Enviando um datagrama da origem para o destino

Datagrama IP:

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

A

BE

miscfields

sourceIP addr

destIP addr data

Datagrama mantém-se inalterado quando viaja da origem para o destino

Campos de endereço com interesse para esta análise

Dest. Net. next router Nhops223.1.1.0/24 1223.1.2.0/24 223.1.1.4 2223.1.3.0/24 223.1.1.4 2

Tabela de Encaminhamento de A


Getting a datagram from source to dest.

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

A

BE

Iniciando em A, como enviar um datagrama IP para B ?

Analisar a parte de endereço da rede de B

Descobrir que B está na mesma rede do que A

Nível de ligação de dados envia o datagrama directamente para B através duma trama de nível lógico A e B estão directamente ligados

miscfields223.1.1.1223.1.1.3data Dest. Net. next router Nhops

223.1.1.0/24 1223.1.2.0/24 223.1.1.4 2223.1.3.0/24 223.1.1.4 2



223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

A

BE

Iniciando em A, como enviar um datagrama IP para E ?:

Analisar a parte de endereço da rede de E

E pertence a outra rede A e A não estão directamente

ligados Tabela de encaminhamento:

next hop router para E é 223.1.1.4

O nível de ligação de dados envia o datagrama para o 223.1.1.4 dentro duma trama de nível lógico

miscfields223.1.1.1223.1.2.3 data Dest. Net. next router Nhops

223.1.1.0/24 1223.1.2.0/24 223.1.1.4 2223.1.3.0/24 223.1.1.4 2



223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

A

BE

Datagrama chega a 223.1.4, destinado a 223.1.2.2

Analisar a parte de endereço da rede de E

E está na mesma rede que a interface do router que tem o IP 223.1.2.9 Router e E estão directamente

ligados O nível de ligação de dados envia o

datagrama para o 223.1.2.2 dentro duma trama de nível lógico através da interface 223.1.2.9

Datagrama chega a 223.1.2.2!!! (hooray!)

miscfields223.1.1.1223.1.2.3 data network router Nhops interface

223.1.1 - 1 223.1.1.4 223.1.2 - 1 223.1.2.9

223.1.3 - 1 223.1.3.27

Dest. next


Formato do datagrama IP32 bitsNº de versão do

Protocolo IPDimensão do

Cabeçalho (bytes)

Nº máximo de hops a visitar

(decrementado emcada router)

parafragmentaçãoreassemblagem

Dimensão total do datagrama(bytes)

Nível superior do protocolo a que

se destina o pacote

“tipo” de dados

E.g. timestamp,Armazena a rota tomada, lista de routers a visitar

ver length

data (variable length,typically a TCP

or UDP segment)

16-bit identifierInternet

checksumtime to

live32 bit source IP address

head.len

type ofservice

flgs fragment offset

upper layer

32 bit destination IP addressOptions (if any)


Fragmentação e reassemblagem IP

Ligações da rede têm MTU (max.transfer size) – dimensão máxima duma trama de nível de rede.

Ligações diferentes têm MTUs diferentes

datagramas IP grandes são divididos (“fragmentados”) na rede

Um datagrama transforma-se em vários datagranas

“reassemblados” apenas no destino final

Bits do cabeçalho IP header usados para identificar fragmentos relacionados

fragmentaçãoin: 1 datagrama grandeout: 3 datagramas pequenos

reassemblagem


ID=x

offset=0

fragflag=0

length=4000

ID=x

offset=0

fragflag=1

length=1500

ID=x

offset=1480

fragflag=1

length=1500

ID=x

offset=2960

fragflag=0

length=1040

Um datagrama grande transforma-se em 3 pequenos




Valor mínimo do MTU suportado é de 576 Bytes

Se a dimensão máxima do segmento for de 536 Bytes a fragmentação pode ser eliminada 20 Bytes são para o

cabeçalho TCP20 Bytes são para o cabeçalho IP

ver length

16-bit identifier

Internet checksum

time tolive

32 bit source IP address

head.len

type ofservice

flgsfragment

offset

upper layer

32 bit destination IP address

Options (if any)

# porto origem # porto destino

applicationdata

(variable length)

Número sequênciaNúmero acknowledgment

rcvr window sizeptr urgent datachecksum

FSRPAUheadlen

notused

Opções (dimensão variável)


ICMP: Internet Control Message Protocol Utilizado pelos sistemas

terminais, routers e gatewyas para transferir informação de controlo de nível de rede Reporte de erros :

unreachable host, network, port, protocol

echo request/reply (used by ping)

Nível de rede: “acima” do IP: ICMP msgs transportadas

em datagramas IP ICMP message: type, code

plus first 8 bytes of IP datagram causing error

Type Code description0 0 echo reply (ping)3 0 dest. network unreachable3 1 dest host unreachable3 2 dest protocol unreachable3 3 dest port unreachable3 6 dest network unknown3 7 dest host unknown4 0 source quench (congestion control - not used)8 0 echo request (ping)9 0 route advertisement10 0 router discovery11 0 TTL expired12 0 bad IP header

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