R. Cusani - F. Cuomo, Telecomunicazioni - Network layer: Routing, Maggio 2010

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1 1 16: Network layer: introduzione, algoritmi di routing Funzioni dello strato di rete 2 Allo strato di trasporto la comunicazione tra i processi paritari di livello 4 deve apparire come una comunicazione punto-punto Lo strato di rete ha quindi come funzione quella di fornire allo strato di trasporto un servizio per la consegna dei dati in modo da mascherare l infrastruttura della rete (la sottorete) Nomenclatura: host o end-node: stazione su cui opera lo strato di trasporto che deve trasmettere o ricevere i dati utilizzando il servizio dello strato di rete pacchetto: insieme di dati+header+trailer che lo strato di rete costruisce e deve trasmettere fino a destinazione router: stazione intermedia che opera a livello 3, che riceve i pacchetti e li inoltra attraverso la (sotto)rete 1

2 Funzioni dello strato di rete (cont.) 3 In generale due host sono separati da un certo numero di nodi, interconnessi da svariate linee Spesso sono possibili più tragitti tra i due nodi (ad esempio nelle reti magliate) Potenzialmente i nodi sono separati da reti funzionanti con tecnologie differenti Funzioni dello strato di rete (cont.) 4 Lo strato di rete deve quindi occuparsi dei seguenti argomenti determinare quale tragitto tra quelli disponibili dovranno seguire i dati (instradamento, routing) - questo può richiedere che lo strato di rete conosca la topologia della rete reagire a modifiche di topologie della rete - se esiste un meccanismo dinamico per l apprendimento della topologia, questo permetterà di apprenderne anche le modifiche nel tempo evitare di sovraccaricare linee quando sono disponibili percorsi alternativi (congestione) risolvere i problemi connessi al transito attraverso reti differenti (internetworking) - quest ultima funzione è caratteristica del TCP/IP 2

3 Servizi offerti allo strato superiore 5 Inizialmente OSI prevedeva che lo strato di rete fornisse solo un servizio connection oriented analogo al funzionamento del servizio telefonico questo servizio, caldeggiato dalle compagnie telefoniche, permette di operare fatturazione a tempo e di offrire servizi di qualità riservando le risorse a priori In seguito c è stata forte richiesta di introdurre nello standard anche un servizio connection less, e così è stato fatto l inaffidabilità intrinseca della sottorete fa si che comunque lo strato di trasporto dovrà occuparsi della integrità dei dati può quindi essere opportuno un meccanismo più leggero per il recapito dei dati a livello 3 Servizio connection-less 6 Richiede che i pacchetti siano instradati indipendentemente l un l altro Generalmente un router dispone di una tabella che definisce la linea di uscita dove trasmettere un pacchetto in base alla destinazione finale il router riceve il pacchetto, lo memorizza per analizzarlo, decide su quale linea in uscita instradarlo, lo accoda, quindi lo trasmette in base alla tabella (store and forward) 3

4 Servizio connection-less 7 Ogni pacchetto deve quindi contenere l indirizzo di destinazione Le tabelle possono modificarsi nel tempo i pacchetti possono non seguire la stessa strada Servizio connection-oriented oriented 8 Ad una connessione si associa un circuito (eventualmente virtuale) nella sottorete a lei dedicato Sequenza di router del cammino: è definita a priori, durante la fase di inizializzazione della connessione Tutti i pacchetti della stessa connessione seguono la stessa strada L instradamento del pacchetto viene quindi fatto in base alla sua appartenenza ad una connessione e non alla sua destinazione finale L intestazione del pacchetto sarà più semplice, dovendo contenere solo l identificativo della connessione La connessione potrà essere stabilita in modo da garantire le risorse necessarie alla trasmissione, rendendola più affidabile Una connessione successiva tra gli stessi nodi potrebbe definire un circuito virtuale differente dal precedente 4

5 Tabelle per la definizione dei circuiti virtuali 9 Il nodo sceglie un identificativo per il circuito virtuale, utilizzando un numero (il più basso disponibile) Il router adiacente non è detto abbia disponibile l identificativo scelto dal nodo potrebbe averlo già assegnato ad un altro circuito virtuale proveniente da un altro nodo In generale sceglie un identificativo differente, ma lo associa all identificativo scelto dal nodo per i pacchetti provenienti dal nodo stesso Questo processo viene iterato fino a destinazione Ogni router avrà quindi una tabella del tipo: Nodo provenienza Circuito virtuale Nodo destinazione Circuito virtuale Tabelle per la definizione dei circuiti virtuali 10 Ad ogni pacchetto in arrivo da un certo nodo (host o router) contenente un certo identificativo, il router cercherà nella tabella l host a cui inoltrare il pacchetto e l identificativo relativo Sostituirà l ID vecchio col nuovo ed inoltrerà il pacchetto 5

6 Confronto 11 Problema Datagrammi Circuito virtuale Impostazione circuito Non necessaria Richiesta Indirizzamento Informazioni sullo stato Routing Effetto dei guasti Ogni pacchetto contiene l indirizzo completo di mittente e destinatario I router non conservano informazioni sullo stato delle connessioni Ogni pacchetto viene instradato indipendentemente Nessuno tranne i pacchetti che si trovano in coda sul router che si guasta al momento del guasto Qualità del servizio Realizzazione complessa Semplice Controllo congestione Difficile Semplice Ogni pacchetto contiene un numero di circuito virtuale Ogni CV richiede spazio nella tabella dei router per la connessione Il percorso è definito all impostazione del CV Tutti i CV che attraversano il router che si guasta vengono terminati Routing ed inoltro 12 La funzione principale dello strato di rete è il routing Questo è il processo che permette al router di scegliere tramite un algoritmo la linea di uscita verso cui instradare i dati Si possono distinguere le due operazioni: inoltro: il processo che, in base all indirizzo di destinazione o al circuito virtuale, sceglie la linea di uscita in funzione di dati noti (tabelle, stato delle linee, ) definzione delle tabelle: il processo di creazione ed aggiornamento della tabella (detta tabella di routing) che associa alla destinazione la linea di uscita da utilizzare; questa operazione viene eseguita in base ad algoritmi detti algoritmi di routing In molti casi queste sono operazioni distinte eseguite in momenti diversi da processi distinti all interno dello strato di rete 6

7 Caratteristiche di un algoritmo di routing 13 è desiderabile che un algoritmo di routing abbia le seguenti caratteristiche correttezza: ovvio semplicità: meno soggetto ad errori in implementazione o in esecuzione robustezza: la rete non è stabile, e l algoritmo deve poter fare fronte alle modifiche di topologia stabilità: convergenza verso l equilibrio imparzialità: servire qualunque tragitto possibile senza penalizzare nessuno ottimizzazione: efficienza globale Algoritmi adattivi e non adattivi 14 Esistono due classi di algoritmi di routing non adattivi: l algoritmo per l instradamento viene calcolato a priori e non si modifica più (routing statico) adattivi: questi algoritmi modificano le tabelle in funzione di cosa accade sulla rete (modifiche di topologia, carico sulla rete) Gli algoritmi adattivi si differenziano in base a: sorgente delle informazioni, che possono essere il router stesso, i soli router adiacenti o tutti i router della rete al momento in cui effettuano le modifiche, che possono avvenire ad intervalli regolari, in funzione del carico della rete o in funzione di modifiche della topologia al tipo di informazioni su cui si basano le decisioni (la metrica): la distanza, il numero di salti, il tempo di transito stimato, 7

8 Routing statico 15 Esempio più semplice di algoritmo non adattivo La tabella di routing viene inserita a mano nella configurazione del router, e non viene modificata dinamicamente; eventualmente può essere modificata manualmente anche in corso d opera Virtualmente ingestibile in condizioni di reti anche banalmente complesse, ma utilizzato diffusamente per circostanze particolari: 1. un router ha una unica connessione 2. un router ha più di una connessione, ma per tutte le connessioni tranne una c è una destinazione che non può cambiare per motivi di topologia, e l ultima connessione deve essere utilizzata per tutte le altre destinazioni Instradamento multicammino 16 Questa tecnica si applica quando esistono più percorsi possibili, e si vogliono utilizzare tutti, ciascuno con intensità di carico potenzialmente differente A ciascun cammino viene assegnato un peso, e la scelta di instradamento viene fatta in base ad una estrazione casuale pesata In questo modo si separa il traffico statisticamente con probabilità pari al peso delle alternative (per ogni pacchetto in caso di protocollo senza connessione, per ogni circuito virtuale in caso di protocollo connection oriented) 8

9 Instradamento flooding 17 Altro esempio di algoritmo statico, prevede di inoltrare ogni pacchetto entrante su tutte le linee disponibili tranne quella da cui è arrivato Viene generato un elevato numero di duplicati del pacchetto, che possono anche ritornare più volte a chi lo ha già ricevuto si utilizza in ogni pacchetto un contatore di hop (salti), inizializzato ad un valore massimo e decrementato da ogni router: allo 0 il pacchetto viene eliminato si può anche utilizzare un meccanismo per evitare le ritrasmissioni: il router che trasmette per primo il pacchetto gli assegna un numero di sequenza ed il proprio indirizzo di rete ogni router tiene una tabella dei numeri di sequenza originati dai diversi router e già trasmessi se arriva un pacchetto già trasmesso si evita la ritrasmissione se i numeri di sequenza sono incrementali, la tabella da memorizzare sarà di dimensioni ragionevoli (si memorizza solo l ultimo) Algoritmo flooding (cont.) 18 Gli aspetti negativi di questo algoritmo sono essenzialmente legati alla inefficienza nell utilizzo delle risorse: ogni pacchetto va a finire su tutte le linee della rete, provocando un utilizzo inefficiente della rete stessa ogni pacchetto va a finire su tutti i router, aumentando il carico di lavoro dei router stessi (CPU, occupazione di buffer) 9

10 Algoritmo flooding (cont.) 19 Aspetti positivi sono: qualsiasi pacchetto arriverà a destinazione nel tempo più breve possibile (segue tutte le strade, anche la più veloce) estremamente resistente a modifiche della topologia anche il malfunzionamento di grandi porzioni della rete permette il recapito del pacchetto se almeno un cammino rimane operativo non richiede una conoscenza a priori della topologia della rete Scarsamente utilizzato per via della inefficienza, le caratteristiche di estrema affidabilità di questo protocollo sono sfruttate in diverse circostanze particolari Routing dinamico: percorso più breve 20 Gli algoritmi di routing spesso si basano sulla analisi della rappresentazione della rete tramite un grafo (i punti identificano i router, gli archi rappresentano le linee di connessione) Per scegliere il percorso ottimale la soluzione è trovare il percorso più breve, in base ad una certa metrica Possono essere scelte differenti metriche: distanza geografica numero di salti costo delle linee ritardo temporale (rtt: round trip time) larghezza di banda o una funzione di alcune di queste 10

11 Routing dinamico: percorso più breve 21 Definita una metrica, le linee potranno essere etichettate con un numero (peso, costo o metrica della linea): più basso è il numero, più breve è la linea (quindi preferibile) La distanza di un percorso è dato dalla somma delle distanze dei singoli salti Dijkstra ha ideato un algoritmo (Shorted Path First) semplice e rapido capace di determinare, in base alla topologia ed ai pesi, il cammino più breve tra due nodi del grafo Algoritmo di Dijkstra 22 11

12 Distance vector (Bellman-Ford) 23 Algoritmo adattivo sviluppato attorno al 1960, utilizzato per molto tempo Arpanet lo ha utilizzato fino al 1979 nella implementazione chiamata RIP (ancora in uso adesso in realtà di piccole dimensioni) Ad ogni linea è assegnata una distanza, valutata in base ad una metrica, indicata anche col nome di costo La tabella di routing è costituita dalla associazione di tre informazioni: destinazione, distanza fino alla destinazione, linea di uscita Ogni router estrae dalla tabella di routing una tabella contenente, per ogni destinazione, indirizzo di destinazione e relativa distanza, detta vettore delle distanze Distance vector (Bellman-Ford) 24 Il vettore delle distanze viene scambiato ciclicamente con tutti i router adiacenti In base alle informazioni ricevute dai vicini viene aggiornata la tabella di routing Il valore della distanza avrà un certo limite massimo, indicante che la destinazione non è raggiungibile nel caso di metrica ad hop, la distanza di infinito dovrà essere almeno pari al numero massimo di hop possibili nella rete più uno in caso di metrica secondo i ritardi può essere più complesso determinare l irraggiungibiltà della destinazione: si deve valutare a priori un valore ragionevolmente elevato (ma non troppo) 12

13 Distance vector (Bellman-Ford) 25 Valutazione delle distanze: il router deve conoscere i router adiacenti, ed il costo delle linee che li connettono direttamente per fare questo un router scambia a tempi definiti con i propri vicini dei pacchetti per essere aggiornati sulla loro presenza se la metrica scelta dipende dal ritardo della linea, questi pacchetti sono utilizzati per aggiornare la valutazione del costo della linea diretta verso il router adiacente la metrica può essere un parametro statico, definito manualmente nella configurazione del router Distance vector (Bellman-Ford) 26 Quando viene ricevuto il vettore delle distanze dai vicini, per ogni destinazione si valuta la distanza aggiungendo alla distanza riportata dal router adiacente quella relativa alla linea che li connette Tra tutte le distanze relative alla stessa destinazione riportate dai router adiacenti, e rivalutate in base alla distanza verso ciascun router adiacente, si sceglie quella con distanza inferiore 13

14 Distance vector (Bellman-Ford) 27 Esempio: costruzione della tabella di routing del router J Problemi del Distance Vector 28 Normalmente raggiunge sempre la convergenza ma lentamente, in particolare in occasione della perdita di un router (o di una linea) problema noto come conto all infinito, che peggiora all aumentare del numero di router Nell esempio seguente si valuta la distanza a cui il router A è visto dagli altri a sinistra si vede cosa accade quando il router A viene acceso, a destra se si spegne o se va giù il link con B (tutti i costi sono pari a 1) Nel secondo caso si vede come l informazione che A non è più raggiungibile si propaga con lentezza 14

15 Link State 29 Basa il suo funzionamento sulla conoscenza che ciascun router deve avere della intera topologia della rete, superando i problemi del distance vector L algoritmo si sviluppa secondo i seguenti punti: scoprire i router adiacenti ed i loro indirizzi misurare il costo della linea verso ogni vicino costruire un pacchetto contenente questi dati (link state, o stato dei collegamenti) inviare questa informazione a tutti i router della rete ricostruire la topologia della rete in base alle informazioni di link state ricevute da tutti gli altri router elaborare in base alla conoscenza della topologia i percorsi più brevi per ogni destinazione Scoperta dei vicini 30 Per realizzare questa funzione il protocollo prevede che un router invii ciclicamente (a cominciare dalla sua accensione) sulle linee a disposizione dei pacchetti speciali detti HELLO Questi pacchetti contengono l indirizzo di rete del router che lo invia l indirizzo del router deve essere unico in tutta la rete, per poter essere distinto da tutti gli altri Il router che riceve un HELLO, deve rispondere con un pacchetto analogo In questo modo un router, alla accensione, impara a conoscere tutti i vicini, ed i vicini acquisicono l informazione della esistenza del nuovo router 15

16 Misura del costo della linea 31 L algoritmo si basa, come vedremo, sulla conoscenza del costo delle linee dirette con i router vicini Come prima, sono possibili diverse metriche generalmente il router utilizza un pacchetto speciale, detto ECHO, al quale il router adiacente deve rispondere immediatamente misurando il tempo di andata e ritorno e dividendo per due si ha una misura del ritardo della linea è possibile inserire nel computo il ritardo dovuto al carico del traffico, contando il tempo di accodamento del pacchetto Misura del costo della linea 32 questa soluzione può comportare instabilità nel routing: nel caso di un doppio cammino, quello migliore sarà caricato di traffico, quindi l altro, scarico, diventerà preferibile, ma dopo poco tempo il secondo sarà carico di traffico mentre il primo sarà scarico, rendendo nuovamente preferibile il primo, e così via in queste circostanze è più opportuno utilizzare metodi di suddivisione del carico in funzione delle destinazioni, utilizzando opportunamente i costi delle linee 16

17 Costruzione dello stato dei collegamenti 33 Ora il router dispone dello stato dei suoi collegamenti Questi dati vengono messi in una tabella contenente il nome del router in questione, un numero sequenziale, un numero indicante l età del pacchetto, e l elenco di record router adiacente - ritardo della linea Questi pacchetti possono essere costruiti periodicamente, o in occasione di modifiche di topologia Distribuzione del link state 34 Il problema di propagare l informazione agli altri ha due aspetti bisognerebbe sapere a priori chi sono gli altri via via che il pacchetto raggiunge alcuni router, questi potrebbero cambiare la loro topologia mentre altri no, quindi si potrebbero verificare inconsistenze che impediscono la diffusione completa dell informazione L idea fondamentale, che risolve entrambi i problemi, è di utilizzare il flooding per propagare le informazioni di link state Il carico complessivo sulla rete dovuto al meccanismo di flooding è accettabile in quanto solo i pacchetti di link state vengono propagati con questa tecnica 17

18 Distribuzione del link state 35 Vi sono alcuni aspetti da osservare il numero di sequenza viene incrementato da un router ogni volta che genera un nuovo pacchetto di link state questo permette ai router che devono instradare l informazione via flooding di rimuovere dalla rete i pacchetti relativi ad informazioni obsolete per evitare numeri duplicati si utilizza una numerazione a 32 bit Questo meccanismo ha però due problemi al riavvio del router, questo ricomincia da zero! se per un errore di trasmissione non rilevato giungesse un numero alto al posto di uno basso, tutti i pacchetti successivi verrebbero scartati Distribuzione del link state 36 Per ovviare a questi problemi si inserisce anche un numero indicante l età del pacchetto, che viene decrementato di una unità al secondo Quando l età raggiunge lo zero, l informazione viene comunque considerata obsoleta e scartata Tipicamente i pacchetti di link state vengono inviati ogni qualche secondo o decina di secondi, quindi un valore di età dello stesso ordine di grandezza garantisce di poter ricevere sempre informazioni aggiornate 18

19 Elaborazione dei percorsi 37 Quando un router ha ricevuto una serie completa di pacchetti sullo stato dei collegamenti dei router della rete, riesce a ricostruire la topologia della rete (i router ed i costi delle linee) Viene quindi eseguito l algoritmo di Dijkstra per valutare i percorsi verso ogni destinazione in base al cammino più breve Il risultato di questi calcoli viene utilizzato per costruire la tabella di routing Caratteristiche del link state 38 Questo protocollo richiede ai router una discreta capacità di memoria (per memorizzare i pacchetti del link state, che sono in numero proporzionale al numero di router e di dimensione proporzionale al numero medio di collegamenti per router) Richiede anche capacità di calcolo per eseguire gli algoritmi di Dijkstra una volta per ogni destinazione Però risponde molto rapidamente a modifiche della topologia: appena un router vede una modifica, manda le informazioni aggiornate a tutti i router immediatamente la nuova topologia si stabilizza sulla rete in tempi di alcuni secondi al massimo, contro i minuti o decine di minuti dell algoritmo distance vector Anche per questo, come per tutti gli algoritmi di routing adattivi, il malfunzionamento di un router che annunci informazioni errate può avere effetti disastrosi 19

20 Routing gerarchico 39 Al crescere delle dimensioni della rete i protocolli di routing manifestano difficoltà crescenti a causa di: tempi di convergenza, come nel caso di protocolli distance vector dimensioni delle tabelle di routing da memorizzare ed elaborare La risposta a questo problema è il routing gerarchico i router sono divisi in regioni (geograficamente o per altri criteri) il routing viene operato a due livelli: internamente alla regione i router utilizzano un protocollo che si preoccupa della topologia esclusivamente all interno della regione alcuni router per ciascuna regione operano il routing inter-regionale e conoscono il modo per raggiungere le altre regioni, senza conoscerne la topologia interna Routing gerarchico (cont cont.) 40 può occasionalmente generare cammini non ottimali, ma il vantaggio in termini di riduzione delle tabelle di routing vale la spesa 20