encaminhadores ip sistemas telemáticos 2002/2003 lesi grupo de comunicações por computador...

Encaminhadores IP

Sistemas Telemáticos 2002/2003

LESI

Grupo de Comunicações por Computador

Departamento de Informática

Universidade do Minho

Fontes utilizadas

• Alguns materiais de– Scott Karlin and Larry Peterson– Zhenhai Duan– N. Mckeown @ stanford.edu;– S. Keshav @ cornell.edu

• Artigo– IP Routers Architecture: An Overview , James

Aweya, acessível na net.

A Internet é um grafo de encaminhadores !

O Núcleo da Internet

RouterIP de Núcleo

Router de IP de Periferia

Qual o aspecto dos comutadores /encaminhadores?

EncaminhadoresDe acessoe.g. ISDN, ADSL

Encaminhador de Núcleo

Comutador ATM deNúcleo

Componentes dum Encaminhador Genérico

Processamento de um pacote num encaminhador IP

1. Aceitar o pacote de uma ligação de entrada2. Localizar o endereço de destino do pacote na

tabela de expedição, para identificar a(s) porta de saida .

3. Manipular o cabeçalho do pacote: decrementar o TTL e calcular a soma de verificação do cabeçalho.

4. Enviar o pacote para a(s) portas de saída.5. Colocar o pacote na fila de espera6. Transmitir o pacote pela linha de saída

Interior dum Encaminhador IP melhor esforço

Outra visão dum Encaminhador IP

Plano de Controlo

Plano de DadosProcessamento porPacote

ComutaçãoTabela deexpedição

Tabela de Encaminhamento

Protocolos deEncaminhamento

Componentes Arquitecturais BásicosPlano de dados: processamento por pacote

2. Interconexão 3. EgressoTabela deExpedição

Decisão de expedição

1. Ingresso

Tabela deExpedição




InterconexõesDuas Técnicas Básicas

Filas de Espera de Entrada

Normalmente uma switch fabric não bloqueante

(e.g. crossbar)

Normalmente um barramento rápido

Filas de Espera de Saída

Interconexões Filas de Espera de Saída

Filas de Saída Individuais

Memória centralizadapartilhada

LB da Memória = (N+1).R

1

2

N

LB Memória = 2N.R

1

2

N

Saída 2

Saída N

Interconexões Comutação via Memória Partilhada

Um buffer simples em memória alocado dinamicamente :

N escritas por tempo de célulaN leituras por tempo de célula

Limitado pela largura de banda da memória

Entrada 1 Saída 1

Entrada N

Entrada 2

Inúmeros trabalhos provaram e tornaram possível:

– Equidade(Fairness)

– Garantia de atraso

– Controlo de jitter

– Garantia de Perdas

– Garantias estatísticas

Filas de Espera de Saída Quão rápida pode ser a memória partilhada?

MemóriaPartilhada

Barramento de 200 byte

SRAM de 5 ns

1

2

N

• 5ns por operação de memória• 2 operações de memória por pacote• Portanto até um máximo de 160Gb/s• Na prática a velocidade de comutação é próxima de 80Gb/s

InterconexõesFilas de Espera de Entrada com Crossbar

configuração

Dados

de E

ntr

ad

a

Dados de Saída

LB Memória = 2R

Fila de Espera de EntradaBloqueio de Topo de Linha

(Head of Line Blocking)

Ata

rso

Carga58.6% 100%

Head of Line Blocking

Fila de Espera de Entrada Filas de Espera de Saída Virtuais


Atr

aso

Carga100%


Arbiter

LB Memória = 2R

Complexo !

Engenho de Expedição

cabeçalhodados

Pacote

Router

Endereçode destino

Porta de saída

Rede destino PortaTabela de Expedição

Estrutura de Dados para localização do encaminhamento

65.0.0.0/8

128.9.0.0/16

149.12.0.0/19

3

1

7

0 224 232-1

128.9.0.0/16

65.0.0.0

142.12.0.0/19

65.0.0.0/8

65.255.255.255

Ex. de Tabela de ExpediçãoPrefixo IP de Destino Porta de saída65.0.0.0/ 8 3

128.9.0.0/16 1

142.12.0.0/19 7

Prefixo IP : 0-32 bits

Tamanho do Prefixo

128.9.16.14

Prefixos podem sobrepor-se

128.9.16.0/21 128.9.172.0/21

128.9.176.0/24

Lookup de encaminhamento: Encontre o maior prefixo que unifique (i.e. a rota mais específica) entre todos os prefixos que unifiquem com endereço de destino.

0 232-1

128.9.0.0/16142.12.0.0/1965.0.0.0/8

128.9.16.14

Maior prefixo que unifique

8

32

24

Valores de prefixo

Com

pri

men

to d

o

Pre

fixo

128.9.0.0/16142.12.0.0/19

65.0.0.0/8

Dificuldade da unificação com o prefixo mais longo

128.9.16.14

128.9.172.0/21

128.9.176.0/24

128.9.16.0/21

Busca bi-dimensional: - Comprimento do prefixo- Valor do Prefixo

Lookup da Tabela de Encaminhamento

• Não é nada fácil!

• A operação de busca não é uma unificação exacta– O lookup directo precisa de 4G entradas (32

bits no endereço IP)– Unificação com o maior prefixo

• Tabelas de Hash

• Árvores balanceadas

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

100000

Tamanho da Tabela de Expedição

Fonte http://www.telstra.net/ops/bgptable.html

95 96 97 98 99 00Ano

Núm

ero

de P

refixos

10,000/ano

Trees e Tries

Binary Search Tree

< >

< > < >

log2 N

N entries

Binary Search Trie

0 1

0 1 0 1

111010

Trees and TriesMultiway tries

16-ary Search Trie

0000, ptr 1111, ptr

0000, 0 1111, ptr

000011110000

0000, 0 1111, ptr

111111111111

Problema CIDR

• Aloque endereços de forma tão sequencial quanto possível dos seguintes pedidos de endereços. O último endereço usado para o último pedido foi 124.24.7.255.

• Rede A - 1024 Hosts• Rede B B - 4096 Hosts• Rede C - 16,384 Hosts• Rede D - 1024 Hosts• Rede E - 2048 Hosts

– Para cada rede mostre o endereço de rede, a máscara e a gama de endereços.

Problema CIDR

• Satisfaça os mesmos pedidos do problema anterior sem CIDR– Indique para cada rede o endereço de rede e

como os endereços seriam alocados

• Compare esta solução com a anterior e diga quantos endereços eram desperdiçados (poupados).

Encaminhamento com CIDR

• A tabela de encaminhamento seguinte usa CIDR (Classless Inter-Domain Routing). Os endereços estão em hexadecimal. A notação "/12" em C4.50.0.0 / 12 indica uma máscara de rede com os primeiros 12 bits isto é FF.F0.0.0. Observe que as três últimas entradas cobrem todo o espaço de endereçamento e constituem rota por defeito.

• Diga para onde serão expedidos os pacotes com os seguintes endereços de destino:

• a.C4.5E.13.87 b. C4.5E.22.09• C. C3.41.80.02 d.5E.43.91.12

Rede / Tamanho da máscara Próximo Salto

C4.50.0.0 / 12 A C4.5E.10.0 / 20 B C4.60.0.0 / 12 C C4.68.0.0 / 14 D 80.0.0.0 / 1 E 40.0.0.0 / 2 F 00.0.0.0 / 2 G

a.A b.A c.E d.F

Discussão

• Discuta a adopção da abordagem CIDR (Classless Inter-Domain Routing) referindo – problemas que permite resolver – a complexidade introduzida no

procedimento de expedição de pacotes

Interiores dum Encaminhador IP com QOS

Encaminhador com QoS

• Que diferenças básicas existem entre um encaminhador melhor esforço e um encaminhador com qualidade de serviço? Que módulos adicionais existem e para que servem?

Componentes Arquitecturais Básicos dum Router com QoS

PoliciamentoEscalonamento

da SaídaComutação

Encaminhamento

Controlo de Congestão

ReservasControlode Admissão

Controlo

Fluxo dedadosprocessamento por pacote

Componentes arquitecturais básicosPercurso de dados: processamento por

pacote2. Interconexão 3. EgressoTabela deExpedição

Tabela declassificação

Policiamento& Contrlo de

AccessosDecisão deExpedição

1. Ingresso


Tabela declassificaçã

o




Tabela declassificação



Limitação: LB Memória Limitação: LB InterconexãoEnergia & Arbitragem

Limitação: LB Memória

Evolução dos Encaminhadores IP

Routers IP de Primeira Geração

A maioria dos switches Ethernet e routers mais baratos

O Estrangulamento pode ser o CPU, barramento de I/O ou

host adaptor O que é mais caro? Barramento? Memória? Interface? CPU?

Shared Backplane

Line Interface

CPU

Memory

CPU BufferMemory

LineInterface

DMA

MAC

LineInterface

DMA

MAC

LineInterface

DMA

MAC

Output 2

Output N

Routers IP de Primeira Geração Estrutura de Filas: Memória Partilhada

Um buffer simples em memória alocado dinamicamente :

N escritas per “cell” timeN leituras per “cell” time.Limitado pela largura de

banda da memória

Entrada 1 Output 1

Entrada N

Entrada 2

Inúmeros trabalhos provaram e tornaram possível:

– Equidade(Fairness)

– Garantia de atraso

– Controlo de jitter

– Garantia de Perdas

– Garantias estatísticas

Routers IP de Segunda GeraçãoCPU Buffer

Memory

LineCard

DMA

MAC

LocalLocalBufferBuffer

MemoryMemory

LineCard

DMA

MAC


MemoryMemory

LineCard

DMA

MAC


MemoryMemory

Correspondência de portas nas placas de interface Alta % de acertos na cache local para lookups O que é mais $? Bus? Memória? Interface? CPU?

Routers IP de Segunda Geração Estruturas combinadas de filas de entrada e saída

Bus

1 escrita por tempo de célula

1 leitura por tempo de célula

Taxa de E/L determinada pela velocidade do bus

Switches/Routers de 3ª Geração

LineCard

MAC

LocalBuffer

Memory

CPUCard

LineCard

MAC

LocalBuffer

Memory

Switched Backplane

Line Interface

Line Interface

Line Interface

Line Interface

Line Interface

Line Interface

Line Interface

Line InterfaceCPU

Memory

Disponibiliza percursos paralelos (switching fabric)

O que é mais $? Bus? Memória, CPU?

Arbiter

Switches/Routers de 3ª Geração Estrutura de filas de espera

Switch


1 leitura por tempo decélula

Taxa de E/L determinada pela capacidade a

fabric speedup

Tipicamente <50Gb/s capacidade agregada

Routers/Switches de 4ª Geração

Switch Core Linecards

Ligações ópticas

100’sof feet

Separação física entre o núcleo de comutação e as cartas de linha

• Distribui energia por vários armários.

• Permite todo armazenamento (buffering) colocado nas placas de linha:– Reduz energia.– Coloca a complexidade (escalonamento,

gestão de buffers, política de descarte de pacotes, etc…) na placa de linha

Switch Core Linecards

Ligações ópticas

100’sof feet

Protocolo LCS

Routers/Switches de 4ª Geração

Routers/Switches de 4ª Geração Estruturas de filas de espera


1 leitura por tempo de célula

Velociadade de Escrita/leitura Determinadas pela velocidade da switching fabric

Lookup&

Política dedescrate

Escalonamentode saída

Filas de espera de saída virtuais



SwitchFabric

SwitchArbitration

Linecard Linecard

Switch Core(Bufferless)

Lookup&


Lookup&


Tipicamente <5Tb/s capacidade agregada

Problemas dos Fabricantes• Rápida expedição (lookup de rotas)• Identificação de Fluxos

– Percurso rápido de expedição

• Suporte de QoS – Routers de núcleo, empresa ou acesso– A simplicidade é a chave do sucesso

• Fiabilidade(estabilidade) de routers de alta velocidade – Energia dual– Percursos de dados duplicados

• Facilidade de configuração– Má configuração é outro problema sério

• Possibilidade de contabilização

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