Instradamento nelle reti

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1 Reti e problematiche di Rete: Reti geografiche e reti locali Enrico Cavalli - enrico.cavalli@unibg.it Università di Bergamo - Anno Accademico Instradamento nelle reti Reti e problematiche di rete

2 Instradamento - Routing Aspetto complesso e cruciale delle reti a commutazione di pacchetto Riguarda anche l instradamento tra reti Robustezza Stabilità Equità Ottimizzazione Efficienza Ottimalità Caratteristiche richieste: Precisione, Semplicità, Robustezza, Stabilità, Equità, Ottimalità, Efficienza Elementi di progetto per le tecniche di instradamento Indici di prestazione Tempo di decisione Luogo di decisione Sorgenti di informazioni sulla rete Frequenza di aggiornamento delle informazioni sulla rete Routing: indici di prestazione Indici di prestazione Numero di salti (hop): minimizzare il numero di nodi attraversati Costo: generalizzazione del criterio precedente, si assegnano i costi con criteri atti al raggiungimento di qualche obiettivo di progetto Ritardo nel tempo di trasmissione: una strategia a minor numero di hop minimizza il ritardo nella trasmissione per attesa nelle code Throughput: una strategia a costo minimo (se i costi sono legati inversamente alla velocità) massimizza il throughput della rete

3 Routing: Indici di prestazione Una rete a commutazione di pacchetto con i costi di trasmissione tra i nodi Problema: andare da 1 a 6 Minor numero di hop: 1--6 Costo minimo: Routing: Tempo e Luogo di Decisione Istante di decisione Pacchetto: nel caso di funzionamento interno a datagramma la decisione di instradamento è per singolo pacchetto Circuito virtuale: per funzionamento interno a circuito virtuale la decisione viene presa all apertura del circuito virtuale. In reti sofisticate il c.v. può essere modificato per reagire al traffico o alla caduta del nodo Luogo della decisione: nodo/i responsabile della decisione Distribuito: il più comune Centralizzato: vi è un nodo responsabile della decisione. La sua perdita blocca la rete. Da sorgente: la decisione è presa dal nodo di origine ed è poi comunicata alla rete. Il routing distribuito è più complicato da realizzare ma più robusto

4 Routing: Sorgenti di informazioni e frequenza di aggiornamento Di norma le decisioni di instradamento richiedono informazioni sulla rete: Routing distribuito I nodi fanno uso di informazioni locali (costi, congestione) Possono raccogliere informazioni dai nodi adiacenti Possono raccogliere informazioni da tutti i nodi lungo certi percorsi Routing centralizzato Raccoglie informazioni da tutti i nodi della rete La frequenza di aggiornamento dipende dalla strategia di routing e dalla localizzazione dell aggiornamento Nesun aggiornamento: è fisso nel caso di flooding dove non si fa uso di alcuna informazione e non c è aggiornamento delle informazioni Continuo nel caso di routing adattivo isolato Periodico con opportuna frequenza nel caso di instradamento adattivo distribuito Routing: Strategie di instradamento Fisso Un percorso permanente per ogni coppia di nodi destinazione-sorgente; percorsi determinati con algoritmi a costo minimo e variati al cambiamento della topologia della rete Si vedano: algoritmo di Dijkstra e di Bellman-Ford Flooding (Allagamento) Non richiede alcuna informazione. Ogni nodo invia il pacchetto da trasmettere a tutti i nodi adiacenti ad eccezione della linea da cui è arrivato. Diverse strategie (ad es. ricordare i pacchetti già ricevuti, contatori di hop) per limitare la proliferazione dei pacchetti nella rete Casuale Come per il flooding non richiede informazioni sulla rete. Un nodo sceglie casualmente (o a rotazione) un nodo adiacente e ritrasmette il pacchetto solo a quello. Questa strategia limita il numero di pacchetti nella rete ma, di norma, non seleziona un percorso ottimo. Un affinamento del metodo prevede di trasmettere sulla linea k con probabilità P k = R k / Σ j R j dove R k rappresenta il tasso di trasmissione sulla linea k Reti e problematiche di rete -

5 Instradamento Fisso Si può dimostrare che non serve memorizzare l intero percorso ma solo l identificazione del prossimo nodo. Dalla tabella: per andare da 1 a 6 si segue il percorso La Tabella di instradamento può essere distribuita nei nodi memorizando la colonna K nel nodo K Esempio di Flooding Per limitare la duplicazione dei pacchetti i nodi possono identificare i pacchetti e ignorare le copie dei pacchetti già trasmessi In alternativa i pacchetti possono essere eliminati dopo un certo numero di hop I pacchetti tentano tutti i percorsi: arrivano sempre, usato nelle reti militari per la robustezza; identifica il percorso migliore; tocca tutti i nodi: utile per inviare informazioni necessarie a tutti i nodi nella rete

6 Routing: Strategie di instradamento Instradamento Adattivo Tecnica utilizzata nelle reti a commutazione di pacchetto. Le decisioni di routing dipendono dalla stato della rete e devono essere considerati: guasti e congestione. Le decisioni sono più complicate da prendere ed aumenta il carico di elaborazione sui nodi della rete Compromesso tra qualità del servizio e overhead Velocità di adattamento adeguata: un adattamento troppo rapido può portare ad oscillazioni, una troppo lenta diventa inefficace Ragioni di diffusione: Miglioramento delle prestazioni della rete Di aiuto nel controllare la congestione Strumento estremamente complesso: ARPANET, TYMNET, IBM, DEC hanno dovuto affrontare almeno una revisione importante delle loro strategie di instradamento Instradamento adattivo isolato Instradamento adattivo isolato Indirizza verso il nodo in uscita con la coda ( Ci ) più corta Per indirizzare l uscita nella giusta direzione può utilizzare valori di predisposizione nella direzione k (P k ) per orientare le scelte, minimizzando C k +P k. Raramente usato: non fa uso di informazioni facilmente ottenibili Tabella con pesi del nodo verso il nodo 6: verso 1: 9 verso : 6 verso : verso 5: 0 Con questi valori un pacchetto da 1 verso 6 è inviato verso il nodo

7 Instradamento in ARPANET Nella prima versione del 1969: instradamento adattivo che usa come indice di prestazione il ritardo stimato e una variante dell algoritmo di Bellman-Ford Ritardi minimo dal nodo i agli altri nodi: D i = [ d i1 d i... d in ] Nodi successivi a i secondo il ritardo minimo: S i = [ s i1 s i... s in ] I ritardi sono valutati, per esempio, con la lunghezza delle code nel nodo Ogni 18 msec i nodi trasmettono il vettore dei ritardi ai nodi adiacenti che aggiornano D ed S sulla base delle informazioni ricevute. Il nodo k calcola i nuovi valori di D k ed S k con le relazioni: d kj = Min [ l ki + d ij ] A insieme dei nodi i adiacenti a k A l ki stima attuale del ritardo da k a i s kj = i i indice che minimizza [ l ki + d ij ] k l d j Valori aggiornati dai nodi adiacenti Reti e problematiche di rete Instradamento in ARPANET Valori di partenza per Valori aggiornati per,, Valori aggiornati per D 1 S 1 D D D D 1 S 1 d 1 = Min [ l 1i + d i ] = i=,, d 1 = Min [ l 1i + d i ] = i=,, d 1 = Min [ l 1i + d i ] = i=,, d 15 = Min [ l 1i + d i5 ] = i=,, d 16 = Min [ l 1i + d i6 ] = i=,, Reti e problematiche di rete Min [ +0, 5+, 1+] = Min [ +, 5+0, 1+] = Min [ +, 5+, 1+0] = 1 Min [ +, 5+1, 1+1] = Min [ +5, 5+, 1+] 1 k

8 Instradamento in ARPANET Limiti dell algoritmo Non considera il tasso di trasmissione della linea ma solo la lunghezza della coda: non favorisce il traffico verso le linee più veloci Le lunghezza della coda è una misura imprecisa del tempo di attesa perché non tiene conto del tempo di elaborazione del pacchetto prima di essere immesso in una coda L algoritmo risponde in ritardo alla congestione Seconda generazione (1979) Algoritmo adattativo distribuito che usa il ritardo e non più la lunghezza della coda come indice di prestazione. (Misura diretta del ritardo che tiene conto dei tempi di elaborazione, dell attesa nella coda e dei tempi di trasmissione) Ogni 10 secondi il nodo calcola il ritardo medio nelle diverse direzioni e, se ci sono variazioni rispetto alla precedente elaborazione, la comunica agli altri nodi con il flooding Le informazioni delle stime dei ritardi sono memorizzate nei nodi e le tabelle di instradamento sono aggiornate con l algoritmo di Dijkstra Reti e problematiche di rete Algoritmo di Dijkstra(1) Algoritmo per il calcolo del cammino minimo tra due nodi (sorgente - destinazione): Ogni nodo è etichettato con la distanza dal nodo sorgente lungo il cammino migliore. Inizialmente la distanza non è nota e i nodi sono etichettati con infinito. B(,-) 7 C(,-) A 6 1 E (,-) F(,-) D(,-) Calcolo del cammino minimo tra A e D Nelle etichette è marcata la distanza da A e il nodo di provenienza da A lungo il cammino minimo Le informazioni nei nodi sono inizialmente temporanee Diventano permanenti quando si verifica che la distanza marcata è la minima L algoritmo termina quando il nodo finale è segnato con una marca permanente Reti e problematiche di rete G(,-) H(,-)

9 Algoritmo di Dijkstra() Il nodo A è marcato come permanente e sono esaminati i nodi adiacenti ad A riportando nelle marcature distanze e nodo di provenienza Il nodo B, con la minima distanza da A, è marcato come permanente B(,A) 7 C(,-) A E (,-) F(,-) D(,-) G(6,A) H(,-) Si ripete il procedimento partendo da B e esaminando tutti i nodi non permanenti adiacenti a B aggiornando, se necessario le marcature. Tra i nodi temporanei dell intero grafo si rende permanente quello con la minore etichetta Algoritmo di Dijkstra() E diventa permanente A B(,A) 7 C(9, B) + E (, B) F(,-) 6 1 G(6,A) H(,-) D(,-) B(,A) 7 C(9, B) G diventa permanente A E (, B) F(6,E) D(,-) G(5,E) H(,-)

10 Algoritmo di Dijkstra() B(,A) 7 C(9, B) F diventa permanente A 6 1 G(5,E) E (, B) F(6,E) H(9,E) D(,-) B(,A) 7 C(9, B) H diventa permanente A 6 1 E (, B) + F(6,E) + D(,-) G(5,E) H(8,F) Algoritmo di Dijkstra(5) B(,A) 7 C(9, B) C diventa permanente A 6 1 E (, B) F(6,E) + D(10,H) G(5,E) H(8,F) D diventa permanente A B(,A) 7 C(9, B) + E (, B) F(6,E) 6 1 D(10,H) G(5,E) H(8,F)

11 Instradamento in ARPANET Limiti della nuova strategia Nonostante il limitato sovraccarico per il flooding, la seconda generazione funzionava bene per carichi leggeri e medi ma con carichi pesanti c era una scarsa correlazione fra i ritardi previsti e quelli misurati Nel caso di carichi elevati, quando tutti i nodi hanno aggiornato le tabelle di instradamento, queste tabelle sono ormai obsolete Terza generazione 1987 Ricerca un buon instradamento per il percorso medio e non per tutti i percorsi Algoritmo invariato ma è modificata la funzione che calcola i costi per smorzare le oscillazioni e limitare il costo del calcolo Congestione Quando una rete o parte di essa si satura di pacchetti di dati, in modo che il trasferimento dei pacchetti diventa impossibile ha luogo una congestione della rete La congestione può essere di breve periodo (malfunzionamento temporaneo) o di lungo periodo (stallo della struttura) Un nodo congestionato, una volta esaurito lo spazio nel buffer, elimina i nuovi pacchetti in arrivo Rimedi alla congestione Misure preventive includono l innesto di nodi di backup, la creazione di nuovi collegamenti e la preallocazione delle risorse Il controllo del flusso consente a due nodi adiacenti di controllare la quantità di traffico in transito tra loro. Quando uno dei due buffer si esaurisce il nodo ricevente segnala al mittente di interrompere la trasmissione I rimedi alla congestione di una rete prevedono la preallocazione del buffer il pacchetto di strozzatura i sistemi basati su autorizzazioni

12 Congestione Preassegnazione del buffer Prima di inviare n pacchetti il nodo mittente prenota lo spazio necessario nel buffer del ricevente Dopo aver ricevuto la conferma dal nodo destinatario invia i pacchetti Ulteriore passaggio di messaggi (carico della rete e ritardi nella trasmissione) Spreco dello spazio del buffer se non tutti gli n pacchetti vengono trasmessi Pacchetto di strozzatura (Choke Packet) Riguarda le trasmissione di pacchetti tra stazione terminale e nodo di rete Si tratta di un segnale inviato dal nodo ricevente a una postazione ad esso collegata, la cui trasmissione risulta troppo elevata e in grado di saturare il buffer del nodo, chiedendo alla postazione di rallentare la propria velocità di trasmissione Internetwork Protocols IP

13 Protocolli di internetwork ICMP Internet Control Message Protocol IGMP Internet Group Management Protocol Operazioni Scambio di pacchetti tra un host A su una LAN 1 e un host B su una LAN connesse da una WAN X.5 a commutazione di pacchetto In A il datagram è incapsulato in un protocollo LAN e inviato al router Il router X rimuove i campi della LAN per accedere all intestazione dell IP Il router X inserisce i campi dell X5 e lo trasmette attraverso la rete

14 Compiti e aspetti progettuali Instradamento I sistemi finali e i router mantengono tabelle di instradamento Indicano il router al quale inviare il datagramma Tabelle di instradamento fisse Possono contenere percorsi alternativi Tabelle di instradamento dinamiche Flessibili: in grado di gestire la congestione e gli errori Source routing La sorgente specifica il percorso complessivo come un elenco di routers da attraversare La scelta del percorso può dipendere da ragioni di sicurezza e priorità Route recording: registrazione del percorso Compiti e aspetti progettuali Vita del datagram Un datagramma può circolare indefinitamente nella rete Consuma inutilmente risorse della rete I protocolli di trasporto potrebbero richiedere un limite superiore sulla durata temporale del datagram I datagrammi sono marcati con un tempo di vita Il tempo di vita è il campo Time To Live dell IP Scaduto il tempo di vita il datagram è scartato (non è più ritrasmesso) Conteggio degli Hop L attraversamento di un router ne provoca il decremento Uso di una marca temporale Bisogna conoscere il tempo trascorso dal passaggio dal router precedente e serve quindi un meccanismo globale di sincronizzazzione

15 Compiti e aspetti progettuali Frammentazione e riassemblaggio dei pacchetti Reti con differente valore della dimensione massima del pacchetto: bisogna spezzare un pacchetto in due o più pacchetti Momento del riassemblaggio dei pacchetti A destinazione: in questo caso i pacchetti possono solo ridursi di dimensione e crescere in numero nell attraversare la rete Nei nodi intermedi: servono grandi buffer nei router per memorizzare i pacchetti in attesa di essere riassemblati con il rischio di riempire i buffer con frammenti Il riassemblaggio nei nodi intermedi è possibile solo se tutti i pacchetti passono per gli stessi router e, in tale caso, è impedito il routing dinamico Nell IP i frammenti sono ricomposti nei sistemi terminali Identificazione dei frammenti sulla base Identificatore Dati (ID), composto da: indirizzo di sorgente e destinazione, identificatore del protocollo del livello superiore che ha generato i dati (per esempio il TCP) e un identificatore fornito dal protocollo di livello superiore Informazioni sui dati e frammentazione: lunghezza dei dati, offset, ulteriori dati Compiti e aspetti progettuali Esempio di un pacchetto con 0 byte di dati scomposto in due pacchetti da 08 e 196 byte di dati Il segmento originale ha Offset = 0 e More = 0 Il primo segmento è formato da 08 = 6 8 byte ed è marcato con Offset = 0 e More = 1 Il secondo segmento contiene 0-08=196 byte ed è marcato con Offset = 6 (6x8=08) e More = 0 Se un frammento non arriva nel time to live del pacchetto (o in un opportuno time out di ricomposizione dei frammenti) è scartato l intero pacchetto

16 Compiti e aspetti progettuali Controllo dell errore Non è garantita la consegna dei pacchetti I router dovrebbero tentare di informare la sorgente che un pacchetto è stato scartato, per esempio, per lo scadere del tempo di vita La sorgente può modificare le proprie strategie di trasmissione Può informare i protocolli di livello superiore Il datagramma deve essere identificato Controllo di flusso Abilita i router o le stazioni riceventi a limitare la velocità di trasmissione dei dati in arrivo Il controllo è ottenuto mediante l invio di pacchetti di controllo con la richiesta di ridurre il tasso di trasmissione Un esempio è dato da ICMP Protocollo IP Parte del TCP/IP usato da Internet. La specifica è composta da due parti: L interfaccia con uno strato superiore, per esempio il TCP I formati e i meccanismi del protocollo Servizi IP I servizi sono forniti al livello superiore e sono espressi con primitive che implementano le funzioni offerte dal servizio e parametri usati per passare informazioni La forma delle primitive dipende dalla implementazione e si concretizza, per esempio, in chiamate a sottoprogrammi IP fornisce due primitive al livello superiore: Send(parametri) per richiedere la trasmissione di un unità dati Deliver(parametri) per informare il livello superiore dell arrivo di un unità dati

17 Protocollo IP Parametri di Send e Deliver Indirizzo di provenienza e destinazione Identificazione dell entità di protocollo di livello superiore ricevente (p.e. TCP) Tipo di servizio: servizio richiesto durante la trasmissione attraverso la rete Precedenza: otto livelli di precedenza Affidabilità rispetto alla probabilità di perdita o danneggiamento del pacchetto Ritardo: richiesta di minimizzare o meno il ritardo nella consegna del datagram Throughput: richiesta di massimizzare il throughput Identificazione del pacchetto (congiuntamente con indirizzi sorgente e destinazione e entità di livello superiore) per identificare in modo univoco la PDU e necessaria per la ricomposizione dei frammenti e gestione degli errori; usata solo da Send Indicatore non frammentabile, per specificare se l IP può frammentare la PDU; usata solo da Send Tempo di vita, in secondi. Usata solo da Send Lunghezza dei dati da trasmettere Opzioni richieste dall utente dall IP I dati dell utente Protocollo IP

18 Protocollo IP Parametri Version: versione del protocollo IHL (Internet Header Length): Tipo di servizio: servizio richiesto per affidabilità, ritardo throughput Total Length: (16 bit) lunghezza del datagram in byte Identification: per identificare in modo univoco il pacchetto Flags: i bit U ed M per frammentazione e riassemblaggio Fragment offset: (1 bit) Time To Live: (8 bit) tempo di vita in hop Protocol: il protocollo che deve ricevere i dati Header Checksum: (16 bit) somma di controllo sull intestazione Source e Destination Address: Numeri IP del mittente e del destinatario Padding: per garantire che l intestazione sia un multiplo di bit Data:lo spazio riservato ai dati deve essere un intero in byte. In totale: intestazione e dati <= 6555 Transmission Control Protocol TCP

19 Transmission Control Protocol (TCP) TCP: Trasforma una rete non affidabile (IP) in una rete affidabile, senza cioè duplicati o smarrimenti di pacchetti, attraverso: creazione di una connessione: indirizzo di porta a cui è associata un applicazione. (porta + indirizzo IP si indicano con il termine di socket) chiusura di una connessione: una volta ricevuti i dati trasmessi controllo del flusso: come nello sliding window del datalink layer gestione dell errore: numero progressivo di ciascun pacchetto e ritorno di un codice d errore se la sequenza è errata gestione delle priorità: campo urgent pointer per indicare la priorità del messaggio (ad es. errori) Condivisione: più dati destinati a porte diverse possono finire nello stesso datagramma IP Realizza una rete orientata alla connessione in quanto, prima della trasmissione dei dati, stabilisce una connessione tra le due porte Transmission Control Protocol (TCP) Porta applicazione mittente Porta destinatario Progressivo pacchetto trasmesso Cycle Redundancy Checksum Priorità Stato della trasmissione 0= mittente deve andare in pausa Intestazione TCP

20 Transmission Control Protocol (TCP) Porte TCP di default: 1 FTP SSHP telnet 5 SMTP 79 finger 80 http 110 POP più connessioni TCP TCP TCP IP IP 1 connessione IP Transmission Control Protocol (TCP) Possibili cause d errore del TCP/IP Tipi d errore: rete o host di destinazione sconosciuto indirizzo IP sbagliato oppure scollegato porta di destinazione sconosciuta: non corrisponde ad alcuna applicazione Cause: Time to Live scaduto intestazione IP sbagliata L IP non gestisce questi errori, quindi routers e nodi utilizzano l Internet Control Message Protocol (ICMP)

21 Internet Control Message Protocol (ICMP) Segnala gli errori per conto dell IP Formato del messaggio ICMP 1. tipo: di messaggio (0 n). codice: d errore o del messaggio. primi 8 bytes del datagramma IP User Datagram Protocol (UDP) Protocollo alternativo al TCP in cui, pur effettuando dei controlli sugli errori, non stabilisce una connessione tra porte, ma si preoccupa semplicemente della trasmissione dei dati E un protocollo non orientato alla connessione E utilizzato da un piccolo numero di applicazioni di rete che non hanno bisogno di stabilire una connessione prima di trasmettere dati

22 Reti geografiche e reti locali Grazie per la vostra attenzione