Seminario Open Routing. Corso di Sistemi di Commutazione A.A. 2002/2003

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1 Seminario Open Routing Corso di Sistemi di Commutazione A.A. 2002/2003

2 Argomenti Un PC per fare routing? Elementi base di un personal computer Architetture dei BUS: ISA, VESA, PCI, Performance e bottlenecks (bus, cpu, memorie) Soluzioni network processor Software: LINUX/LTC, Click, Exokernel Applicazioni: classificatori e bandwidth managers

3 Cos è un PC? Personal Computer: sistema di elaborazione completo, di piccole dimensioni, destinato a un singolo utente. Un personal computer non si differenzia sostanzialmente da altri tipi di sistemi di elaborazione se non per le dimensioni e, anche sotto questo aspetto, la distinzione rispetto ad altri tipi di macchine è molto sfumata. I primi personal computer sono stati commercializzati sotto forma di scatole di montaggio per appassionati di elettronica, alla fine degli anni Settanta, e solo nel decennio successivo è iniziata la diffusione di prodotti commerciali intesi realmente all'esecuzione di attività elaborative come giochi, elaborazione di testi, calcoli, programmazione. La potenza di calcolo, le dotazioni di memoria di lavoro e di massa, la disponibilità di apparecchiature periferiche sono cresciute rapidamente, facendo dei personal computer il comparto più vivace di tutta l'industria informatica.

4 Perchè usare un PC per fare routing? Possibilità di implementazione software/hardware opensource e freeware, in particolare con i sistemi operativi Linux e OpenBSD Ampia disponibilità di hardware multivendor Bassi costi Continua evoluzione delle prestazioni, consentita dall economia di scala dei PC Vasta base di conoscenze su questo tipo di architettura

5 IP Router Input port 1 Input port 2 Input port N Rete di Interconnessione Output port 1 Output port 2 Output port N

6 PC Hardware I/O BUS CPU Interfaccia 1 Interfaccia 2 Memoria Interfaccia N

7 Elementi base di un PC Hardware e Software: prima scomposizione di un sistema informatico Hardware: componenti FISICI del sistema, comprendente tutti gli organi elaborativi, di controllo, di memoria e di ingresso-uscita, con le relative interconnessioni e unità di alimentazione. Software: i programmi che vengono eseguiti dal sistema, forniti all'utente dal progettista e dal costruttore di un calcolatore per l'impiego in condizioni ottimali dell hardware

8 Struttura e componenti principali di un PC Hardware: composto da un insieme di elementi, quali: Unità di elaborazione o CPU Memoria centrale Memoria secondaria Unità periferiche Bus di sistema

9 Unità di elaborazione Microprocessóre: dispositivo microelettronico costituito da un'unità centrale di elaborazione con interfacce che permettono il collegamento con varie unità periferiche per l'immissione, la memorizzazione e l'uscita dei dati. I microprocessori sono costituiti da vari elementi, i più importanti sono: unità di controllo, unità aritmetico-logica (ALU), registro istruzioni, contatore di istruzioni, registri di lavoro. Per il suo funzionamento un microprocessore ha bisogno, oltre che di una memoria di controllo in cui è registrato il programma, anche di una memoria di lavoro. Per scambiare dati con l'esterno il microprocessore utilizza circuiti di ingresso e di uscita e anche la memoria cache.

10 Memoria centrale Memoria centrale, utilizzata per memorizzare dati e programmi; ha dimensioni limitate ma è ad accesso molto rapido

11 Architetture dei BUS L elemento fisico di interconnessione comune a tutti i dispositivi del PC è il BUS, un canale accessibile a turno da ciascun dispositivo e sul quale viaggiano i dati. I dispositivi che devono usare il BUS per comunicare con la CPU o per inviare i dati alla memoria RAM, devono mettersi in coda ed attendere il loro turno sul BUS. Questo tempo di attesa cresce al crescere della quantità di dati da spostare e al numero di dispositivi che vogliono accedervi. Il BUS può avere una capacità di trasferimento dei dati (8, 16, 32, 64 bit) più o meno ampia, con frequenze di clock diverse (per un bus PCI 33 o 66 MHz).

12 Architetture dei BUS Negli ultimi 20 anni ci sono state tante evoluzioni AT-ISA EISA VESA local bus PCI bus PCI-X bus

13 Architettura ISA Il BUS in realtà non è unico, ma possiamo distinguerne due: l HOST BUS e il BUS di I/O (input/output). L host bus è prossimo alla CPU ed è usato dalla CPU stessa e dalle memorie. Più a valle troviamo il BUS di I/O, utilizzato dalla CPU per scambiare dati con i dispositivi esterni, quali il monitor e i dischi. Questo tipo di architettura è detta a BUS AT o ISA. Ovviamente, poiché i due BUS sono tra loro diversi, deve esistere un dispositivo che li collega opportunamente (AT controller). ROM Local Bus 32 bit CPU RAM AT Contr. Bus I/O 16 bit SCSI Scheda grafica

14 Architettura VESA bus VESA: il bus di I/O è realizzato estendendo il bus locale -> maggiore velocità ROM SCSI Scheda grafica VESA Local Bus 32 bit CPU RAM AT Contr. Bus I/O 16 bit

15 Architettura PCI (e PCI-X ) Due grandi novità: - Multiple bus masters - Supporto implicito a PnP Host Bus RAM Bridge Host-to-PCI PCI Bus #0 Scheda grafica EIDE Bridge PCI-to-PCIX Bridge PCI-to-PCI PCI-X (PCI Bus #1) PCI Bus #2

16 Oggi: chipset Intel e750x (7500, 7501, 7505) Chipset Intel e7505

17 Motherboard Intel 7505-based: performance e bottlenecks 4x 66MHz/8bit 2.1 Gb/s FSB 533MHz/64bit 34 Gb/s 8x 66MHz/16bit 8.4 Gb/s 266MHz/144bit 38 Gb/s

18 Soluzioni network processor

19 Soluzioni network processor

20 Soluzioni network processor

21 Soluzioni network processor

22 Routing & Quality of Service L avvento di nuove applicazioni, in particolare quelle multimediali real-time, sempre più esigenti in termini di ritardi e jitter pone il problema della garanzia di una qualità di servizio su Internet (non prevista nel modello attuale) Occorre un nuovo modello di architettura compatibile con l originale, scalabile e disponibile su richiesta

23 Quality of Service: modello DiffServ ER Dominio DiffServ ER ER CR CR Dominio DiffServ BB BB Assegna compiti diversi ai router posti ai bordi del dominio e a quelli interni Edge Router (operazioni sui singoli flussi : controllo d ammissione e assegnazione alle classi) Core Router (servizi differenziati per aggregati di flussi) ER CR ER ER Permette una gestione dinamica delle risorse.

24 Funzioni di un edge router modello DiffServ classifier : assegna i pacchetti alle classi opportune in base alle caratteristiche specificate (es. protocollo, dimens., indirizzi,...) meter : controlla che siano state rispettate le specifiche della classe marker : marca l intestazione del pacchetto nel campo DSCP shaper/dropper : definisce la politica di trattamento dei pacchetti in uscita (priorità, trattamento in caso di congestione,...)

25 Linux Sistema operativo Open Source (il codice sorgente è disponibile, modificabile e gratuito) Nato nel 1990 come implementazione di Unix BSD, di cui mantiene i principali vantaggi: concepito come sistema operativo di rete intrinsecamente multiutente e multitasking livello Kernel e livello utente sempre distinti (maggiore affidabilità poichè i programmi non possono causare crash del sistema)

26 Gestione del routing con Linux Linux, essendo nato come sistema operativo di rete, possiede tutti i comandi necessari per gestire un router. I principali sono: ifconfig : mostra la configurazione IP di ciascuna scheda di rete route : visualizza la tabella di routing route add net DEST netmask NETMASK gw GATEWAY dev eth0 : aggiunge alla tabella di routing una entry relativa alla destinazione DEST indicandone la NETMASK, il GATEWAY attraverso il quale raggiungerla e la scheda di rete che si dovrà utilizzare

27 Linux Traffic Control Linux Traffic Control è un comando del sistema operativo Linux, disponibile a livello utente. Normalmente non è fornito nelle distribuzioni, ma occorre includere il modulo iproute2. Permette di configurare l utilizzo delle risorse di banda di un router, attraverso classi di servizio differenziate.

28 Edge Router su piattaforma Linux Linux Traffic Control permette una gestione più complessa del router, come quella richiesta dal modello a servizi differenziati Filter Class Queuing discipline Filter Filter Class Queuing discipline Queuing discipline E possibile definire strutture ad albero attraverso i componenti fondamentali: filter : filtri o classificatori che indirizzano i pacchetti nelle code opportune class : classi di servizio differenziate queuing discipline: discipline d accodamento

29 Edge Router su piattaforma Linux Gamma Edge Router RUDE RUDE Eth1 100Mbit Beta Eth1 100Mbit Eth1 100Mbit (Layer 2) Classifier Linux Traffic Control (Layer 3) Real Time queue Best effort queue Eth2 10Mbit

30 Linux Traffic Control La struttura dei comandi è uguale per filtri, classi o discipline di coda: tc [options] {filter class qdisc } {command} I comandi sono : add, del, change; questi devono essere seguiti dai parametri specifici per ciascuna struttura.

31 Esempio di definizione di un elemento di tc La prima operazione da effettuare, quando si crea una nuova struttura di Linux Traffic Control, è la definizione dei parametri della classe radice (root). Nell esempio seguente, si crea (add) sulla scheda di rete eth2 (dev eth2) la classe radice (root) con politica cbq e banda di 10Mbit ; la dimensione media dei pacchetti (avpkt 300) in Kbytes è facoltativa e ottimizza la gestione delle code. tc qdisc add dev eth2 root handle 1: cbq bandwidth 10Mbit avpkt 300 scheda di rete tipo di qdisc dim.media pacchetti radice della struttura banda assegnata

32 Filtri (filter) I filtri classici assegnano ciascun pacchetto ad una precisa classe in base a propri criteri route: assegna alla classe specificata i pacchetti con particolari indirizzi di sorgente e/o di destinatario u32: legge qualsiasi campo dell intestazione dei pacchetti e in base al valore assegna i pacchetti alle classi fw: legge il valore dell etichetta assegnata da un firewall all ingresso del router e in base a questo assegna il pacchetto alla classe indicata

33 Filtro rt (real-time) Filtro realizzato presso il DEIS compatibile con tc Nuove funzionalità supportate: riconoscimento di flussi di pacchetti e classificazione per-flusso (i filtri classici sono orientati al pacchetto) riconoscimento di flussi real-time in base al protocollo usato (RTP) o in base alla dimensione media e alla frequenza d arrivo dei pacchetti definizione di SLA (Service Level Agreement), ovvero accordi client/isp sul livello di QoS garantita, tipici del modello DiffServ

34 Discipline di coda (qdisc) fifo : coda fifo di lunghezza di p pacchetti o b bytes tbf : token bucket filter prio : definisce la priorità con cui vanno servite le varie code red : random early detection cbq : class based queuing, permette di definire la priorità e la banda associata ad ogni classe

35 Classi (class) Alcune discipline di coda (es. prio, cbq) necessitano di ulteriori parametri, che vengono specificati nelle classi. Nell esempio seguente, si crea una classe cbq sul dispositivo eth2 con numero identificativo 1:1, figlia della classe 1:0, che dispone di 10Mbit di banda ma ne sfrutta solo 1Mbit. Si specificano inoltre la priorità della classe (1 è la massima) e la dimensione media dei pacchetti. tc class add dev eth2 parent 1:0 classid 1:1 cbq bandwidth 10Mbit rate 1Mbit allot 1514 prio 1 avpkt 300 bandaassegnata alla classe bandasupportata dalla scheda priorità diservizio massima

36 Configurazione di un router QoS filter rt filter u32 qdisc cbq (root) class cbq (1:3) 1Mbit prio 1 class cbq (1:1) qdisc pfifo (1:3) qdisc pfifo (1:4) class cbq (1:4) 9Mbit prio 2 scheda eth2 La configurazione realizzata garantisce per il traffico multimediale proveniente dalla sottorete una banda di 1 Mbit, anche quando il router si trova in condizioni di congestione. Se il traffico supera la banda riservata, il classificatore provvede a scartare i pacchetti in eccesso, come deve avvenire per gli aggregati di flussi in un modello DiffServ.

37 Click Modular Router Basato su piattaforma Linux Architettura software sviluppata dal MIT Software libero distribuito su Internet Semplici componenti che svolgono funzioni elementari Moduli software C++ interconnessi con linguaggio Click nel kernel di Linux elementi codice C++ FromDevice(eth0) Counter Discard connessioni linguaggio Click

38 Click Modular Router Caratteristiche principali: Modularità Flessibilità Scalabilità Elevate prestazioni e gestione a polling delle NIC Applicazioni : progetto di router generatori / ricevitori di traffico Firewall, NAT, ecc

39 Click standard IP Router Stadio di ingresso

40 Click standard IP Router Tabella di routing + stadio di uscita

41 Realizzazione di funzionalità multiservizio dall ARPQuerier Classificazione SLA RTP SLA 1 Classificazione Protocollare (RTP) Classificazione Statistica (rate, length) SLA N no RTP Best Effort coda RTP coda real time coda best effort + - Priority Scheduler ToDevice (ethx)

42 Exokernel Sistema operativo Open Source (il codice sorgente è disponibile, modificabile e gratuito), sviluppato presso il MIT Nato nel 1995 Exokernel è un innovativo sistema operativo per piattaforme x86 e MIPS (Xok, Aegis).

43 Exokernel Generalmente i sistemi operativi tradizionali si interpongono tra le applicazioni e i dispositivi fisici (hardware)

44 Exokernel L'exokernel non fornisce delle astrazioni su cui realizzare le applicazioni ma si occupa solamente di demultiplexare l'accesso all'hardware. Sono disponibili librerie standard libunix che forniscono alle applicazioni l'astrazione tipica di un sistema BSD -> molte applicazioni tradizionali (csh, perl, gcc, telnet, ftp,...) sono eseguibili senza modifiche (speed-up ~ 4x) Le librerie applicative possono anche implementare direttamente le proprie astrazioni, con un elevato grado di specializzazione (speed-up ~ 8x)

45 Exokernel Si possono così realizzare delle librerie ottimizzate che siano in grado di implementare anche tutto il Networking. In particolare, può essere interessante implementare il demone routed e valutarne le prestazioni a confronto con un sistema BSD Exokernel è anche dotato di un sistema evoluto di demultiplexing dei pacchetti (DPF o Dinamic Packet Filtering) che offre prestazioni superiori (10-50x) rispetto ad altri algoritmi tradizionali (BSD packet filter, MPF, PATHFINDER)