Lo strato 3 in Internet

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1 Lo strato 3 in Internet Prof. Ing. Carla Raffaelli A.A Commutatori a pacchetto: cosa c e dentro un router IP? Prof. Ing. Carla Raffaelli 1

2 Un semplice commutatore a pacchetto Una workstation con schede di rete e software per ricevere pacchetti realizzare le associazioni ingresso-uscita spedire i pacchetti I/O BUS CPU INTERFACCIA 1 INTERFACCIA 2 MEMORIA INTERFACCIA N 3 Trasferimento del pacchetto La workstation usa un meccanismo DMA (Direct Memory Access) per trasferire i dati direttamente dalle interfacce alla memoria Una volta che il pacchetto e in memoria la CPU esamina la sua intestazione per determinare l interfaccia a cui deve essere inviato Tramite DMA il pacchetto viene trasferito sulla interfaccia di uscita 4 2

3 Prestazioni Sono limitate dal fatto che tutti i pacchetti devono transitare per un solo punto di contesa rappresentato tipicamente dal bus di I/O che viene attraversato due volte per ciacun trasferimento un processore con un bus di I/O a 1Gbit/s puo supportare fino a 10 link a 45 Mbit/s o 3 link a 155 Mbit/s, ma neanche un solo link a 622 Mbit/s Se i pacchetti sono corti il tempo di elaborazione della intestazione puo diventare il limite principale una workstation che commuta pacchetti di 64 byte al secondo ha un throughput aggregato di 51.2 Mbit/s Occorrono soluzioni piu veloci tipicamente realizzate con hardware specializzato 5 Sistema single-cpu PCI 1.0 HW Intel Pentium 1.6 GHz bus PCI 32 bit / 33 Mhz (1 Gb/s) Gb Intel PRO1000XT server NICs SW Click 1.3pre1 Linux kernel RFC1812 router schema a polling Output rate [Kpackets/s] Polling Interrupt Input rate [Kpackets/s] Lossless rate (kpacktets/s) Limiti di capacità di elaborazione Packet Length (bytes) Theorical Measured Lossless bandwidth (Mbit/s) Limiti di banda del bus Theorical Measured Packet Length (bytes) 3

4 Sistema single-cpu PCI-X 2-NICs HW Singolo processore Intel Xeon 2.8 GHz, bus PCIX 64 bit / 133 Mhz 2 Gb/s Intel PRO1000XT server NICs SW Click 1.3pre1 Linux kernel RFC1812 router con schema a polling Osservazione: si evidenzia ancora il limite di elaborazione per pacchetti corti mentre non vi è praticamente limitazione dovuta al bus di sistema Aumentando la dimensione dei pacchetti -> NIC in saturazione 2 NICs: 1 d ingresso e 1 d uscita; entrambe connesse al bus a 133MHz Lossless rate (Kpacket/s) Lossless bandwidth (Mbit/s) Packet length (bytes) Rate TEORICA massima Rate REALE massima , , ,04 983,04 991, , , Packet length (bytes) Banda teorica Banda usata 7 Throughput E tipicamente espresso in numero di pacchetti per unita di tempo trasferiti dal commutatore E limitato per ragioni tecnologiche e di traffico contesa per risorse interne e sulle uscite target attuale per router IP ad alte prestazioni: 40 Gbit/s equivalenti a 16 link a 2.5 Gbit/s per pacchetti di 64 byte richiede un capacita di elaborazione di 78 x 1.E-6 pacchetti al secondo 8 4

5 Scalabilita L hardware necessario per costruire uno switch e funzione del numero di linee supportate Nella telefonia questo era un problema importante perche commutatori con decine di migliaia di linee di ingresso e di uscita erano abbastanza comuni Con l aumento della velocita delle linee l esigenza di commutatori di grandissime dimensioni e meno sentita 9 Schema del commutatore Porta di ingresso Porta di uscita Porta di ingresso Rete di interconnessione Porta di uscita Porta di ingresso Porta di uscita Compito delle porte di ingresso e di gestire le informazioni di controllo per trasferire il pacchetto sull uscita corretta Se tali informazioni sono trasportate all interno della rete dal pacchetto stesso la rete si dice autoinstradante La rete di interconnessione puo avere topologie a stadio singolo o multistadio 10 5

6 Memorizzazione E una funzione fondamentale dei commutatori a pacchetto Puo essere realizzata nelle porte di ingresso o di uscita oppure internamente alla rete Le caratteristiche della memorizzazione hanno molta influenza sulla qualita di servizio resa dal commutatore 11 Alternative di memorizzazione (1) Buffer interni Richiedono la realizzazione di elementi con memoria Maggiore complessita 12 6

7 Buffer in uscita La commutazione avviene a monte del buffer Piu pacchetti provenienti da ingressi diversi possono richiedere la medesima coda di uscita contemporaneamente Le memorie devono avere velocita fino a N volte superiore a quella delle linee di ingresso per assicurare il trasferimento di N pacchetti verso la stessa coda di uscita la rete di connessione deve avere una velocita'n volte quella necessaria per trasferire una cella 13 Buffer in ingresso I pacchetti in arrivo su una linea vengono memorizzati nel buffer associato a quella linea Un pacchetto rimane nel buffer fino a che la logica di arbitraggio (scheduler) non decide di servirla secondo una politica tipicamente FIFO presenta il problema head-of-line i pacchetti sono bloccati dal pacchetto di testa anche se diretti a diversa destinazione e necessario un meccanismo che consenta di mantenere i pacchetti nel buffer di ingresso fino a che non sono stati trasferiti con successo 14 7

8 Accodamento in ingresso con finestra Viene rilassata l ipotesi di disciplina FIFO Il pacchetto che viene immesso nella rete da un a coda non e necessariamente quello di testa Si definisce una finestra di contesa per l accesso a un ingresso pari a w. W=1 corrisponde alla coda FIFO Le prestazioni aumentano all aumentare della finestra Anche con finestra di dimensione infinita tuttavia non si raggiungono le prestazioni ottimali dell accodamento in uscita Questo perche comunque si puo trasmettere una cella sola per ingresso ed alcune uscite potrebbero non essere raggiunte 15 Accodamento in uscita virtuale Virtual output queueing Risolve il problema del blocco HOL dell accodamento in ingresso Ogni coda di ingresso e logicamente divisa in N code logiche ciascuna contenente i pacchetti diretti ad una uscita Le code logiche condividono la stessa memoria fisica Il collo di bottiglia del sistema e lo scheduler che deve gestire N 2 code contemporaneamente 16 8

9 Algoritmi e protocolli di routing Il trasferimento dei datagrammi Ha due componenti funzionali distinte Instradamento (routing) tabelle di instradamento costruite tramite: scambio di informazioni tra router algoritmi di ottimizzazione locali Inoltro (forwarding) Algoritmo di forwarding lettura dell intestazione IP ed estrazione dell indirizzo di destinazione consultazione delle tabelle di instradamento Identificazione dell interfaccia di uscita su cui inviare il datagramma Switching trasferimento fisico dei datagrammi da interfaccia di ingresso a interfaccia di uscita 18 9

10 Funzione di instradamento (routing) Routing : scelta del percorso su cui inviare i datagrammi i router formano una struttura interconnessa e cooperante: i datagrammi vengono trasferiti dall uno all altro finché raggiungono il router in grado di consegnarli direttamente al destinatario La funzione di instradamento viene eseguita dai router tramite l utilizzo di tabelle di routing presenti in ogni nodo per ogni indirizzo di destinazione è indicata la porta di uscita da usare per raggiungere il router successivo (next hop) verso quella destinazione possono essere possibili scelte diverse con costi diversi 19 Esempi di tabelle di routing e forwarding Tabella di routing Network number 10 Next hop Il numero di rete 10 e raggiungibile utilizzando il router di indirizzo Tabella di forwarding Network number 10 if0 Interfaccia Indirizzo MAC 8:0:2b:e4:b:1:2 La tabella di forwarding dice come trasferire il datagramma al next hop specificato nella tabella di routing 20 10

11 Realizzazione La funzione di routing deve prevedere degli standard al fine di garantire l interoperabilita tra i router La funzione di routing si avvale di: protocolli di routing usati per lo scambio delle informazioni sulla topologia della rete necessarie per applicare l algoritmo algoritmi di routing usati per il calcolo delle tabelle di instradamento note le informazioni sulla topologia della rete 21 Caratteristiche del routing Gli algoritmi e protocolli di routing si differenziano per le modalità con cui la tabella di instradamento viene creata ed eventualmente aggiornata nel tempo Un routing ideale dovrebbe essere: corretto semplice e veloce robusto (rispetto a cambiamenti di topologia e di traffico) stabile equo ottimale scalabile Tipologie di routing Statico Dinamico Centralizzato Distribuito 22 11

12 Routing statico Le tabelle di instradamento sono: invarianti nel tempo indipendenti dalle condizioni di traffico della rete adottano algoritmi non adattativi Le tabelle di instradamento vengono create in fase di configurazione del router lavoro di configurazione oneroso modificate con l intervento di un operatore solo in caso di variazioni strutturali o topologiche della rete (inserimento o caduta di nodi, collegamenti) 23 Routing dinamico Le tabelle di instradamento vengono create e periodicamente aggiornate in modo automatico adottano algoritmi adattativi Consentono di adattare le decisioni di instradamento a variazioni topologiche della rete inserimento di nuovi collegamenti caduta di un collegamento per guasto condizioni di traffico si evita la scelta di percorsi che comprendono collegamenti congestionati 24 12

13 Routing centralizzato Un unico nodo centrale: raccoglie tutte le informazioni sullo stato e la topologia della rete calcola le tabelle di instradamento per ogni nodo le trasmette a tutti i nodi Pro garantisce massima consistenza delle informazioni Contro dipende dal corretto funzionamento di un solo apparato di rete il nodo centrale è soggetto ad un grande traffico di overhead 25 Routing distribuito Ogni nodo calcola in modo autonomo le sue tabelle di instradamento Il calcolo può essere basato su informazioni: locali riguardanti il solo nodo in cui sta avvenendo il calcolo, senza scambio di informazioni tra i nodi distribuite si utilizzano informazioni relative agli altri nodi e collegamenti della rete Nel caso di routing basato su informazioni distribuite deve essere previsto un meccanismo di scambio delle informazioni (protocollo) 26 13

14 Routing: applicazione della teoria dei grafi Una rete è un insieme di nodi di commutazione interconnessi da collegamenti Per rappresentarla si possono usare i modelli matematici della teoria dei grafi Sia V un insieme finito di nodi Un arco è definito come una coppia di nodi (i,j), i,j V Sia E un insieme di archi Un grafo G è definito come la coppia (V,E) e può essere orientato se E consiste di coppie ordinate, cioè se (i,j)(j,i) non orientato se E consiste di coppie non ordinate, cioè se (i,j)=(j,i) Se (i,j) E, il nodo j è adiacente al nodo i 27 Applicazione alle reti Ad una generica rete di telecomunicazioni si può facilmente associare un grafo orientato: i nodi rappresentano i terminali ed i commutatori gli archi rappresentano i collegamenti l orientamento degli archi rappresenta la direzione di trasmissione il peso degli archi rappresenta il costo dei collegamenti, che può essere espresso in termini di numero di nodi attraversati (ogni arco ha peso unitario) distanza geografica ritardo introdotto dal collegamento inverso della capacità del collegamento costo di un certo instradamento una combinazione dei precedenti 28 14

15 Un semplice algoritmo di routing: il flooding Flooding: ogni nodo ritrasmette su tutte le porte di uscita ogni pacchetto ricevuto Un generico pacchetto verrà sicuramente ricevuto da tutti i nodi della rete e quindi anche da quello a cui è effettivamente destinato Dal momento che tutte le strade possibili sono percorse, il primo pacchetto che arriva a un nodo è quello che ha fatto la strada più breve possibile L elaborazione associata a questo algoritmo è pressoché nulla Molto adatto quando si voglia inviare una certa informazione a tutti i nodi della rete (broadcasting) 29 Deflection routing (hot potato) Quando un nodo riceve un pacchetto lo ritrasmette sulla linea d uscita avente il minor numero di pacchetti in attesa di essere trasmessi E adatto a reti in cui i nodi di commutazione dispongano di spazio di memorizzazione molto limitato si voglia minimizzare il tempo di permanenza dei pacchetti nei nodi I pacchetti possono essere ricevuti fuori sequenza Alcuni pacchetti potrebbero percorrere all infinito un certo ciclo in seno alla rete, semplicemente perché le sue linee sono poco utilizzate Si deve prevedere un meccanismo per limitare il tempo di vita dei pacchetti Non tiene conto della destinazione finale del pacchetto 30 15

16 Scelta ibrida (load sharing) Si legge su di una tabella la linea d uscita preferenziale nella direzione della destinazione finale del pacchetto Il pacchetto viene posto nella coda di trasmissione per tale linea se la coda non supera una soglia e se non vi sono altri pacchetti richiedenti contemporaneamente tale linea d uscita Altrimenti viene inviato sulla linea d uscita avente coda di trasmissione più breve Vantaggio: in condizioni di basso carico della rete, l instradamento non viene fatto a caso, ma sulla base della effettiva destinazione finale 31 Shortest path routing Si assume che ad ogni collegamento della rete possa essere attribuita una lunghezza La lunghezza è un numero che serve a caratterizzare il peso di quel collegamento nel determinare una certa funzione di costo del percorso totale di trasmissione L algoritmo cerca la strada di lunghezza minima fra ogni mittente e ogni destinatario Si applicano gli algoritmi di calcolo dello shortest path (Bellman-Ford e Dijkstra) in modalità centralizzata distribuita Distance Vector Link State 32 16

17 Tabelle di routing con alternative Dall applicazione degli algoritmi di calcolo dello shortest path si ottengono anche percorsi alternativi di peso minimo di peso superiore Uso probabilistico della tabella di routing Se si instrada sempre sulla linea più breve si creano nella rete dei cammini ad alto traffico e si lasciano alcune linee scariche Si potrebbero instradare i pacchetti su tutte le uscite disponili con probabilità inversamente proporzionale al peso del cammino corrispondente Questa tecnica rende la distribuzione del traffico più uniforme sui vari link della rete 33 Protocolli Distance Vector Si basano sull algoritmo di Bellman-Ford, in una versione dinamica e distribuita proposta da Ford-Fulkerson Ogni nodo scopre i suoi vicini e ne calcola la distanza Ad ogni passo, ogni nodo invia ai propri vicini un vettore contenente la stima della sua distanza da tutti gli altri nodi della rete (quelli di cui è a conoscenza) Ogni nodo può così eseguire un operazione di rilassamento verso ogni altro nodo ed eventualmente aggiornare la stima della distanza e il next-hop E un protocollo semplice e richiede poche risorse Problemi: convergenza lenta, partenza lenta (cold start) problemi di stabilità: conto all infinito 34 17

18 Esempio: calcolo delle tabelle di routing E C D A B 1 Distance Vector iniziali: DV(i)= {(i,0)}, per i = A,B,C,D,E Distance Vector dopo la scoperta dei vicini: DV(A) = {(A,0), (B,1), (C,6)} DV(B) = {(A,1), (B,0), (C,2), (D,1)} DV(C) = {(A,6), (B,2), (C,0), (D,3), (E,7)} DV(D) = {(B,1), (C,3), (D,0), (E,2)} DV(E) = {(C,7), (D,2), (E,0)} 1. A riceve DV(B) 2. A riceve DV(C) 3. B riceve DV(D) 4. A riceve DV(B) dest Costo, next hop A B C D 0 1, B 3, B 2, B Evoluzione delle tabelle di routing dest Costo, next hop A B C D E 0 1, B 3, B 2, B 10, B dest Costo, next hop A B C D E 1, A 0 2, C 1, D 3, D dest Costo, next hop A B C D E 0 1, B 3, B 2, B 4, B 35 Cold start e tempo di convergenza Allo start up le tabelle dei singoli nodi contengono solo l indicazione del nodo stesso a distanza 0 i distance vector scambiati al primo passo contengono solo queste informazioni Da qui in poi lo scambio dei distance vector permette la creazione di tabelle sempre più complete L algoritmo converge al più dopo un numero di passi pari al numero di nodi della rete Se la rete è molto grande il tempo di convergenza può essere lungo. Cosa succede se lo stato della rete cambia in un tempo inferiore a quello di convergenza dell algoritmo? Risultato imprevedibile si ritarda la convergenza 36 18

19 Bouncing effect Il link fra due nodi A e B cade A e B si accorgono che il collegamento non funziona e immediatamente pongono ad infinito la sua lunghezza Se altri nodi hanno nel frattempo inviato anche i loro vettori delle distanze, si possono creare delle incongruenze temporanee, di durata dipendente dalla complessità della rete ad esempio A crede di poter raggiungere B tramite un altro nodo C che a sua volta passa attraverso A Queste incongruenze possono dare luogo a cicli, per cui due o più nodi si scambiano datagrammi fino a che non si esaurisce il TTL o finché non si converge nuovamente C 6 2 B 1 A 37 Count to infinity A B C Situazione iniziale: D AB = 1, D AC = 2 e D BC = 1 Link BC va fuori servizio B riceve il DV di A che contiene l informazione D AC = 2, per cui esso computa una nuova D' BC = D BA + D AC = 3 B comunica ad A la sua nuova distanza da C A calcola la nuova distanza D AC = D AB + D ' BC = 4 La cosa può andare avanti all infinito Si può interrompere imponendo che quando una distanza assume un valore D IJ > D max allora si suppone che il nodo destinazione J non sia più raggiungibile Inoltre si possono introdurre meccanismi migliorativi Split horizon Triggered update 38 19

20 Split horizon Split horizon è una tecnica molto semplice per risolvere in parte i problemi suddetti se A instrada i pacchetti verso una destinazione X tramite B, non ha senso per B cercare di raggiungere X tramite A di conseguenza non ha senso che A renda nota a B la sua distanza da X Un algoritmo modificato di questo tipo richiede che un router invii informazioni diverse ai diversi vicini a seconda della destinazione Split horizon in forma semplice: A omette la sua distanza da X nel DV che invia a B Split horizon with poisonous reverse: A inserisce tutte le destinazioni nel DV diretto a B, ma pone la distanza da X uguale ad infinito 39 Triggered update Una ulteriore modifica per migliorare i tempi di convergenza è relativa alla tempistica con cui inviare i DV ai vicini i protocolli basati su questi algoritmi richiedono di inviare periodicamente le informazioni delle distanze ai vicini è possibile che un DV legato ad un cambiamento della topologia parta in ritardo e venga sopravanzato da informazioni vecchie inviate da altri nodi Triggered update: un nodo deve inviare immediatamente le informazioni a tutti i vicini qualora si verifichi una modifica della propria tabella di instradamento 40 20

21 Protocolli Path Vector I vari rimedi proposti in realtà non sono davvero risolutivi Sono ancora presenti situazioni patologiche in cui i protocolli Distance Vector convergono troppo lentamente o non convergono affatto Evoluzione: protocolli Path Vector Il vettore che ogni router manda ai vicini contiene, oltre alle distanze dagli altri nodi, anche l intero cammino che il pacchetto deve seguire Il router ignora tutti i cammini dove compare lui stesso Maggiori informazioni da scambiare, ma si evitano i cicli 41 Protocolli Link State Ogni nodo della rete si procura un immagine della topologia della rete Sulla base di tale immagine calcola le tabelle di routing utilizzando un determinato algoritmo Il protocollo di routing ha come scopo fondamentale quello di permettere ad ogni nodo di crearsi l immagine della rete scoperta dei nodi vicini raccolta di informazioni dai vicini diffusione delle informazioni raccolte a tutti gli altri nodi della rete 42 21

22 Raccolta delle informazioni Ogni router deve comunicare con i propri vicini ed imparare i loro indirizzi Hello Packet Deve poi misurare la distanza dai vicini Echo Packet In seguito ogni router costruisce un pacchetto con lo stato delle linee (Link State Packet o LSP) che contiene la lista dei suoi vicini le lunghezze dei collegamenti per raggiungerli 43 Diffusione ed elaborazione delle informazioni I pacchetti LSP devono essere trasmessi da tutti i router a tutti gli altri router della rete Si usa il protocollo Flooding A tal fine nel pacchetto LSP occorre aggiungere L indirizzo del mittente Un numero di sequenza Una indicazione dell età del pacchetto Avendo ricevuto LSP da tutti i router, ogni router è in grado di costruirsi un immagine della rete Tipicamente si usa l algoritmo di Dijkstra per calcolare i cammini minimi verso ogni altro router 44 22

23 Distance Vector - Link State: confronto Distance Vector Semplici da implementare Richiedono in genere una quantità di memoria inferiore, in particolare se la connettività della rete è bassa, e minori risorse di calcolo Convergenza lenta Link State Offrono maggiori funzionalità in termini di gestione di rete La topologia generale della rete e i cammini al suo interno possono essere ricavati da qualunque router La velocità di convergenza è solitamente maggiore Maggiore velocità di adattamento ai cambi di topologia Il flooding di pacchetti LSP può provocare un aumento significativo di traffico 45 Routing gerarchico Nel caso di reti di grandi dimensioni non è possibile gestire le tabelle di routing per l intera rete in tutti i router, in questo caso il routing deve essere gerarchico: la rete viene ripartita in porzioni, chiamate per ora aree di routing i router all interno di un area sono in grado di effettuare l instradamento relativamente alla sola area per destinazioni al di fuori dell area si limitano ad inviare i pacchetti a dei router di bordo che sono a conoscenza della topologia esterna dell area i router di bordo si occupano solamente dell instradamento dei pacchetti fra aree In linea di principio la ripartizione può essere effettuata tante volte quante si vuole creando più livelli nella gerarchia di routing 46 23

24 Routing gerarchico in Internet In Internet si usa il routing gerarchico e le aree di routing sono dette Autonomous System (AS) un AS può essere ulteriormente suddiviso in porzioni dette Routing Area (RA) interconnesse da un backbone (dorsale) ogni network IP è tutta contenuta in un AS o in una RA tradizionalmente secondo la classe, oggi secondo il CIDR gli AS decidono autonomamente i protocolli e le politiche di routing che intendono adottare al loro interno i vari enti di gestione si devono accordare su quali protocolli utilizzare per il dialogo tra i router che interconnettono AS diversi I protocolli di routing all interno di un AS sono detti Interior Gateway Protocol (IGP) I protocolli di routing fra AS sono detti Exterior Gateway Protocol (EGP) 47 Internet = rete di reti 48 24

25 Internet = insieme di AS interconnessi AS1 AS5 EGP AS3 IGP RA AS2 AS4 49 Grafo a livello EGP AS5 AS3 AS1 AS2 AS

26 Ma cos è un Autonomous System? Originariamente definito come un insieme di router gestiti dalla stessa amministrazione tecnica Nuova definizione (1996 RFC 1930) un AS è un gruppo connesso di una o più reti IP (classless) gestite da uno o più operatori ma con una singola e ben definita politica di routing politica di routing: modalità con cui si prendono decisioni di routing nel resto della rete Internet sulla base delle informazioni provenienti da un AS (tramite un EGP) Esempio: Università di Bologna /16 Politecnico di Torino /16 entrambi comunicano con l esterno tramite il GARR (stessa politica di routing) non c è bisogno di avere un AS per ogni ateneo il GARR costituisce un unico AS (AS137) 51 Internet Routing Registries (IRRs) Sono database contenenti le politiche di routing degli AS allocati dai diversi Regional Internet Registry e da altre organizzazioni nazionali e internazionali Possono essere interrogati tramite il client whois da shell linux: whois h whois.radb.net <QUERY> da client web: Alcuni esempi di query: a.b.c.d/m per avere informazioni su una route ASxxx per avere informazioni su un AS!gASxxx per conoscere tutte le reti IP in un AS 52 26

27 whois /16 è l AS a cui appartiene la route è il Registry in cui la route è registrata 53 whois /16 stesso AS di /

28 whois AS137 AS da cui accettare le route AS verso cui annunciare le route 55 GARR = AS137 AS20965 AS3549 Neutral Acces Point punti di interconnessione di diversi ISP AS

29 Protocolli di routing per Internet Interior Gateway Protocol RIP: Routing Information Protocol OSPF: Open Shortest Path First Exterior Gateway Protocol EGP: Exterior Gateway Protocol BGP: Border Gateway Protocol 57 Il routing in Internet Interior Gateway Protocols 29

30 Routing Information Protocol (RIP) Protocollo distance vector, di implementazione vecchia (RFC 1058, Giugno 1988), discende dal protocollo di routing disegnato per la rete XNS di Xerox Ne esiste una seconda versione più recente (RFC 2453) Diffuso in passato perché il codice è liberamente disponibile Utilizzato praticamente solo su reti TCP/IP 59 Tipi di messaggi Utilizza due tipi di messaggi: REQUEST serve per chiedere esplicitamente informazioni ai nodi vicini (ad es. all avvio del nodo) RESPONSE serve in generale per inviare informazioni di routing (cioè i distance vector) I messaggi RIP sono trasportati da UDP ed usano la porta 520 sia in trasmissione che in ricezione 60 30

31 RIP: la tabella di routing Ogni riga nella tabella contiene: indirizzo di destinazione: è un indirizzo IP a 32 bit di default route se vale di rete se Net-ID 0 e Host-ID = 0 (in base alla classe) di sottorete se Subnet-ID0 e Host-ID = 0 necessario conoscere la netmask valido solo per reti direttamente collegate alle interfacce dei router di host se Host-ID 0 opzionale: un router può decidere di non inserirlo nella tabella distanza dalla destinazione (metrica) in termini di hop-count (ogni link ha peso = 1) la distanza massima () per RIP è pari a 16, al fine di limitare il conteggio all infinito adatto per reti relativamente piccole next hop sul percorso verso la destinazione router vicino a cui inviare i datagrammi per la destinazione due contatori: timeout e garbage-collection timer 61 RIP: invio delle informazioni Un RESPONSE con nuove informazioni di routing viene inviato: periodicamente come risposta ad una richiesta esplicita quando una informazione di routing cambia (triggered update) Le informazioni periodiche sono inviate ogni 30 secondi, con uno scarto da 1 a 5 secondi, per evitare tempeste di aggiornamenti Se una route non viene aggiornata dopo 180 secondi (timeout), la sua distanza è posta all infinito (si ipotizza una perdita di connettività) Dopo ulteriori 120 secondi (garbage-collection timer) la route viene eliminata del tutto dalla tabella 62 31

32 L algoritmo Fa uso di tre vettori: W=[(w(x,1),.. W(x,M)] link cost vector contiene il costo dal nodo x alle reti a cui x e collegato direttamente; L=[L(x,1),.. L(x,N)] distance vector per il nodo x contiene il minimo costo corrente dal nodo x alla rete j; R =[R(x,1),.. R(x,N)] vettore dei next-hop per il nodo x contiene il costo minimo corrente dal nodo x alla rete j. Periodicamente (ogni 30 s) ogni nodo scambia il suo distance vector con i nodi vicini (collegati alla stessa rete) Ogni nodo x aggiorna i suoi vettori L e R come segue: L(x,j)= min [L(y,j) + w(x,n xy )] dove y e un vicino di x e Nxy e la rete che collega x a y 63 Esempio: topologia di rete Host X Network Router C Router B Router A Network 2 1 Network 3 1 Network H 1 1 G Network 5 1 E 1 D F Host Y 64 32

33 Esempio:aggiornamento tabella dell host X Tabella di routing dell host x Rete destinazione (R(X,j) L(X,j) B 2 Distance vector inviati a X: 3 4 B A 5 2 B C A 5 A Rete destinazione (R(X,j) L(X,j) Tabella di routing dell host x dopo l aggiornamento B A A 2 5 A 3 65 Creazione incrementale della tabella di routing RIP aggiorna la tabella dopo la ricezione di ogni distance vector Se il distance vector contiene una nuova rete destinazione questa e aggiunta alla tabella Se il nodo riceve un percorso verso una destinazione con un costo piu basso di quello corrente lo sostituisce Se il nodo riceve un aggiornamento dal router R, aggiorna le voci della tabella che utilizzano R come next hop 66 33

34 RIP: formato dei pacchetti La struttura del pacchetto è basata su parole di 32 bit Il pacchetto può avere lunghezza variabile fino a 512 byte (max 25 entry) ripetuto command version address family identifier address must be zero must be zero metric address family identifier address must be zero must be zero metric must be zero must be zero must be zero 67 RIP: significato dei campi I bit del pacchetto sono molto ridondanti rispetto alla quantità di informazioni da inviare (molti campi fissi con i bit tutti a zero) inizialmente pensati per adattarsi ad altri protocolli command: distingue tra REQUEST (1) e RESPONSE (2) version: versione del RIP address family identifier: indica il tipo di indirizzo di rete utilizzato, vale 2 per IP address: identifica la destinazione per la quale viene data la distanza (IP network address) metrica: è la distanza dalla destinazione indicata 68 34

35 RIP: problematiche Fa uso di split horizon per cui le RESPONSE di interfacce diverse possono essere diverse Fa uso di triggered update: in questo caso non è necessario indicare nella RESPONSE tutte le entry della tabella ma solamente quelle appena modificate RIP non è un protocollo sicuro: chiunque trasmetta datagrammi dalla porta UDP 520 viene considerato come un router autorizzato Esempio di malfunzionamento indotto: un router non autorizzato trasmette messaggi contenenti indicazione di una distanza 0 tra se stesso e tutti gli altri della rete dopo qualche tempo tutti i percorsi ottimi convergono su questo router 69 RIP:conto all infinito Tutti i link hanno costo 1 B ha distanza 2 dalla rete 5 con next hop D, A e C hanno distanza 3 dalla rete 5 con next hop B Il router D si guasta B riconosce che la rete 5 non e piu raggiungibile via D e impone il costo a 4 in base alle informazioni da C o A. Al successivo scambio B avvisa A e C del nuovo costo A e C aggiornano il costo verso la rete 5 a 5 in base alle informazioni ricevute da D B a sua volta assume distanza 6 dalla rete 5 e cosi via Cio continua fino al valore massimo (pari a 16 nel RIP) Il tempo per rivelare il guasto e almeno 8 minuti (30 s x 16) A Rete 1 Rete 2 B C Rete 4 Rete 3 D Rete

36 Split horizon con poisoned reverse La regola split horizon stabilisce di non inviare informazioni su un percorso nella direzione da cui sono arrivate Il router che ha inviato le informazioni e piu vicino alla destinazione rispetto a chi le riceve La route errata viene eliminata allo scadere del time out di 180 s La regola poisoned reverse prevede di segnalare costo 16 ai vicini da cui arrivano informazioni su un percorso per il quale sono next hop Si riducono ulteriormente i tempi di attesa evitando di aspettare lo scadere del time out 71 RIP versione 2 I miglioramenti introdotti riguardano soprattutto: subnetting e CIDR autenticazione ripetuto command version routing domain authentication type authentication data authentication data authentication data authentication data address family identifier route tag address subnet mask next hop metric 72 36

37 RIP versione 2 Compatibilità verso il basso RIP-1 ignora le entry con i campi riservati diversi da zero Possibilità di indicare sottoreti o indirizzamento CIDR tramite il campo subnet mask Possibilità di autenticare chi invia i messaggi Possibilità di identificare il proprio AS e di scambiare informazioni con protocolli EGP tramite i campi route tag e routing domain Possibilità di specificare un next hop più appropriato Comunque non adatto per AS grandi Comunque ha problemi di convergenza 73 Open Shortest Path First (OSPF) Divenuto standard nella versione 2 (RFC 2328) Oggi è il più diffuso IGP Protocollo di tipo link state invio di link state advertisement (LSA) a tutti gli altri router Incapsulato direttamente in IP, cioè un pacchetto OSPF ha una normale intestazione IP il valore del campo protocol dell intestazione IP (89 per OSPF) serve a distinguere questi pacchetti da altri OSPF è stato progettato specificamente per: semplificare il routing in reti grandi tramite la suddivisione in aree gestire reti intrinsecamente diffusive (LAN IEEE 802, FDDI) gestire reti intrinsecamente punto-punto (X.25, ATM, Frame Relay) separare logicamente gli host dai router 74 37

38 Intestazione IP (promemoria) Version HLen TOS Length Ident Flags Offset TTL Protocol Checksum SourceAddr DestinationAddr Options (variable) Data Pad (variable) 75 OSPF: aree di routing Un AS può essere suddiviso in porzioni dette Routing Area (RA) interconnesse da un backbone (area dorsale) ciascuna area risulta separata dalle altre per quanto riguarda lo scambio delle informazioni di routing e si comporta come un entità indipendente (3 livello gerarchico di routing) per interconnettere le aree vi devono essere router connessi a più aree e/o al backbone (almeno uno per area) Classificazione dei router: Internal Router: router interni a ciascuna area Area Border Router: router che scambiano informazioni con altre aree Backbone Router: router che si interfacciano con il backbone AS Boundary Router: router che scambiano informazioni con altri AS usando un protocollo EGP 76 38

39 OSPF: aree di routing e tipologie di router AS Stub Area con router di default AS boundary Router e Backbone Router Backbone Router RA Area Border Router e Backbone Router Internal Router 77 OSPF: ulteriori caratteristiche Bilanciamento del carico: se un router ha più percorsi di uguale lunghezza verso una certa destinazione, il carico viene ripartito equamente su di essi Autenticazione: per garantire maggiore sicurezza nello scambio delle informazioni di routing è prevista autenticazione con password ed uso di crittografia Routing dipendente dal grado di servizio: i router scelgono il percorso sul quale instradare un pacchetto sulla base dell indirizzo e del campo Type of Service dell intestazione IP, tenendo conto che percorsi diversi possono offrire diversi gradi di servizio 78 39

40 OSPF: regole auree suggerite da CISCO Avere non più di 6 salti tra sorgente e destinazione Un area deve avere numero di router da 30 a 60 Tutte le aree devono essere connesse al backbone Un ABR non dovrebbe avere più di tre connessioni, una con il backbone e due con diverse aree Il backbone deve essere topologicamente semplice e inaccessibile agli utenti Se esistono più sottoreti in una stessa area, queste dovrebbero avere numeri IP consecutivi I collegamenti fra i router del backbone dovrebbero avere capacità comparabile in modo da favorire il load balancing Si deve prevedere un alta connettività fra router del backbone al fine di avere a disposizione percorsi alternativi in caso di guasto di un link 79 OSPF: host e router Nel modello OSPF i router sono i soli responsabili del routing gli host sono solamente punti terminali da raggiungere in teoria sarebbe necessario indicare ogni host nei grafi che rappresentano la rete (e nelle tabelle di routing) Se gli host di una rete IP sono connessi ad una LAN: la singola rete IP viene vista come una sola entità raggiungibile in un colpo solo (identificata dall indirizzo di rete) vengono diffuse informazioni relative alla raggiungibilità dell intera rete, non dei singoli host Se un singolo host è collegato direttamente: è necessario indicarlo esplicitamente (tramite il suo l indirizzo) N1 H2 N3 N / /24 H2 N3 N /24 N /

41 OSPF: tipologie di rete OSPF è progettato per operare correttamente con reti: Point-to-Point Broadcast Multi-Access (diffusive: LAN, FDDI) Non-Broadcast Multi-Access (NBMA: X.25, ATM, Frame Relay) In una rete ad accesso multiplo tutti gli N router connessi alla rete sono di fatto connessi con tutti gli altri il numero di archi bidirezionali da inserire nel grafo è N(N 1)/2+N il numero totale di LSA da trasmettere è N(N 1) conviene adottare una topologia a stella equivalente, inserendo un nodo virtuale che rappresenta la rete solo N archi bidir. LAN 81 OSPF: adiacenze tra router Vicini: due router che sono connessi alla medesima rete e possono comunicare direttamente punto-punto o punto-multipunto Adiacenti: due router che si scambiano informazioni di routing In una rete ad accesso multiplo risulta molto più efficiente eleggere un Designated Router (DR) fra gli N vicini ogni router della LAN è adiacente solo al DR lo scambio di informazioni di routing avviene solo tra router adiacenti (cioè DR fa da tramite) inoltre il DR è l unico a comunicare la raggiungibilità di router e host della LAN al mondo esterno Per ragioni di affidabilità occorre avere anche un Backup Designated Router (BDR) adiacente a tutti i router locali DR router vicini router adiacenti 82 41

42 OSPF: identificazione di router e priorità Ogni router di un AS utilizzante OSPF deve avere un identificativo univoco (router ID): di default si prende il numero IP più alto fra quelli assegnati alle interfacce del router si può assegnare manualmente un router ID ad ogni router configurando opportunamente l interfaccia di loop-back configurare l interfaccia di un loop-back è un modo più stabile e sicuro di assegnare il router ID perché questa interfaccia non viene mai disabilitata Ai singoli router di un area possono essere associate delle priorità valore di priorità compreso tra 0 e 255 (8 bit) di default tutti i router hanno priorità 0 (più bassa) utilizzata nell elezione del DR 83 OSPF: elezione del DR Ciascun router R nella rete ad accesso multiplo: esamina la lista dei suoi vicini elimina dalla lista tutti i router non eleggibili (ad esempio tutti quelli che hanno priorità nulla) fra quelli rimasti seleziona il router avente la priorità maggiore il più alto router ID in caso di uguale priorità elegge il router selezionato come BDR Backup Designated Router) se il DR esiste già, termina la procedura, altrimenti promuove il BDR a DR rivede la tabella dei vicini e riseleziona gli eleggibili (il router che è stato eletto DR non è più eleggibile) seleziona ed elegge il BDR termina la procedura una volta eletti DR e BDR 84 42

43 OSPF: tipi di LSA Tramite lo scambio di LSA ogni router costruisce la topologia della rete Esistono diversi tipi di LSA: router-lsa creati da ogni router e diffusi in una singola area contengono le informazioni relative allo stato delle interfacce del router all interno di quell area network-lsa creati dal DR di ogni rete ad accesso multiplo e diffusi in una singola area contengono l elenco dei router connessi a quella rete summary-lsa creati dagli Area Border Router e diffusi in una singola area contengono informazioni di routing per destinazioni appartenenti ad altre aree dello stesso AS AS-external-LSA creati dagli AS Boundary Router e diffusi a tutto l AS contengono informazioni di routing per destinazioni appartenenti ad altri AS (compresa la default route) 85 OSPF: Link State Database Il grafo orientato della rete sul quale ciascun router calcola lo shortest path tree è rappresentato dal Link State Database presente in ogni router Nodi: router reti o host singoli nodi virtuali delle topologie a stella equivalenti destinazioni esterne Archi: collegamenti fisici o virtuali Internet stub network transit86 network 43

44 OSPF: i protocolli OSPF invia messaggi utilizzando direttamente i servizi di IP (protocol = 89) Si compone di tre sottoprotocolli: hello, exchange, flooding Tutti i messaggi hanno una intestazione comune vengono aggiunte informazioni per il particolare scopo a cui il messaggio è destinato (tipo di pacchetto) Version Type Router ID Area ID Checksum Authentication Authentication Packet Length AuType 87 OSPF: intestazione comune Version indica la versione di OSPF (versione 2) Type indica il tipo di pacchetto Packet Length numero di byte del pacchetto Router ID indirizzo IP che identifica il router mittente Area ID identifica l area di appartenenza il numero 0 è l area di backbone di solito si usa un identificativo di rete IP Checksum calcolata su tutto il pacchetto OSPF escludendo gli 8 byte del campo authentication si utilizza l algoritmo classico di IP AuType indica il tipo di autenticazione: 0 nessuna autenticazione 1 autenticazione semplice (password nel campo authentication) 2 autenticazione crittografica (dati nel campo authentication) 88 44

45 OSPF: Hello protocol Unico tipo di pacchetto: Hello (Type = 1) Utilizzato per: controllare l operatività dei link scoprire e mantenere relazioni fra vicini eleggere DR e BDR OSPF Header (24 byte) Network Mask HelloInterval Options RouterDeadInterval Designated Router Backup Designated Router Neighbor Neighbor Router Priority 89 OSPF: Hello protocol I pacchetti HELLO sono inviati sulle interfacce periodicamente secondo quanto specificato dal parametro HelloInterval si riescono così a scoprire i propri vicini Includono una lista di tutti i vicini (Neighbor) dai quali è stato ricevuto un pacchetto HELLO recente (cioè non più vecchio di RouterDeadInterval) si riesce così a conoscere se per ciascun vicino è presente un collegamento bidirezionale e se esso è ancora attivo I campi Router Priority, Designated Router e Backup Designated Router sono utilizzati per l elezione di DR e BDR Network Mask indica la maschera relativa all interfaccia del router Options indica se si supportano funzionalità opzionali 90 45

46 OSPF: Exchange protocol Una volta stabilite le adiacenze, router adiacenti devono sincronizzare i rispettivi Link State Database La procedura di sincronizzazione è asimmetrica si stabilisce chi è il master e chi lo slave il master invia una serie di pacchetti Database Description (Type = 2) contenenti l elenco dei LSA del proprio database nell elenco sono indicati il tipo di LSA, l età, il router che lo ha generato e il numero di sequenza non ci sono i dati relativi al LSA lo slave risponde con l elenco dei LSA del suo database durante lo scambio ciascuno dei due router confronta le informazioni ottenute con quelle in proprio possesso se nel proprio database ci sono dei LSA meno recenti rispetto all altro, questi (e solo questi) vengono richiesti con un successivo pacchetto Link State Request (Type = 3) 91 OSPF: Flooding protocol La diffusione dei LSA a tutti i router della rete avviene tramite l invio di pacchetti Link State Update (Type = 4) a fronte di un cambiamento nello stato di un collegamento a fronte di una Link State Request Si esegue in modalità flooding per fare in modo che tutti i router vedano gli aggiornamenti flooding efficiente: si usano i numeri di sequenza dei LSA Si continua ad inviare lo stesso update finché non viene confermata la sua ricezione dai vicini tramite il pacchetto Link State Acknowledgment (Type = 5) in questo modo si rende il flooding affidabile 92 46

47 OSPF: sincronizzazione e aggiornamento Hello Hello Fase di Hello I router scoprono l esistenza reciproca Database Description (Master) Database Description Database Description) Database Description Fase di Exchange Si sceglie il master e lo slave Si scambiano i database Database Description Link State Update Link State Request Link State Ack Fase di Update Si inviano richieste di aggiornamento ai router adiacenti per aggiornare il database 93 Routing e subnetting La tecnica del subnetting consente di ridurre il numero totale di indirizzi di rete assegnati Un singolo indirizzo di rete puo essere utilizzato da piu reti fisiche (dette subnet) Requisiti Le subnet devono essere geograficamente vicine per poter essere viste a distanza come un unica rete Utilizzo della subnet mask per l individuazione del subnet number Subnet number=subnet mask AND Host IP address Introduzione nelle tabelle di routing del valore della subnet mask 94 47

48 Struttura dell indirizzo IP con subnetting Esempio con indirizzo IP di classe B Network number Host number Class B address Subnet mask ( ) Network number Subnet ID Host ID Subnetted address Si introduce un ulteriore livello gerarchico negli indirizzi IP 95 Esempio di subnetting e tabella di routing H3 Subnet mask: Subnet number: H1 R Subnet mask: Subnet number: H2 R Subnet mask: Subnet number: Tabella di routing di R1 Subnet number Subnet mask Next hop Interface 0 Interface 0 R

49 Algoritmi di forwarding Quando l host genera un pacchetto effettua l AND tra la subnet mask della propria subnet e l indirizzo IP destinazione. Se il risultato coincide con la subnet il datagramma viene inviato direttamente sulla rete, altrimenti invia il pacchetto al router di default (procedura ARP) Funzionamento del router: D=destination IP address For each forwarding table entry D1=subnetmask AND D if D1=subnetnumber if nexthop is an interface deliver datagram directly to destination else deliver datagram to nexthop (a router) Nella tabella di routing e sempre presente il default router che si utilizza nel caso in cui non venga individuato alcun matching 97 CIDR (Classless InterDomain Routing) Introduce una assegnazione intelligente degli indirizzi di rete per ridurre il numero di percorsi che un router deve conoscere Un indirizzo nella tabella di routing puo indicare piu indirizzi di rete Si assegnano alle reti di un AS indirizzi contigui in modo che abbiano il prefisso in comune Esempio: 16 reti da a : i primi 20 bit degli indirizzi assegnati sono gli stessi ovvero e stato creato un indirizzo di rete di 20 bit I protoclli di routing devono essere in grado di gestire indirizzi di rete di lunghezza diversa BGP-4 prevede che i numeri di rete siano rappresentati dalla coppi (length,value) dove length e la lunghezza dell indirizzo di rete 98 49

50 Route aggregation in CIDR Un provider puo ottenere uno spazio di indirzzi di rete da assegnare ai suoi clienti Corporation X ( ) Border gateway (advertises path to ) Regional network Corporation Y ( ) 99 Longest prefix matching E la tecnica che consente di operare con CIDR sulle tabelle di routing Gli indirizzi di rete presenti nella tabella di routing possono avere lunghezza diversa con CIDR Es: (16 bit) (24 bit); l indirizzo IP soddisfa il matching con entrambi Gli algoritmi LPM cercano nella tabella l indirizzo di rete che maggiormente si sovrappone ad essi Nell esempio:

51 Il routing in Internet Exterior Gateway Protocols A.A. 2005/2006 Prof. Carla Raffaelli Exterior Gateway Protocols I protocolli di tipo EGP sono diversi da quelli di tipo IGP All interno di un AS si persegue l ottimizzazione dei percorsi Nel routing tra diversi AS si deve tener conto anche (e soprattutto) delle politiche di instradamento ogni AS vuole mantenere una propria autonomia ed indipendenza dagli altri e non vuole subire decisioni prese da altri alcuni AS non vogliono permettere ad altri AS di instradare il traffico attraverso le loro reti in altri casi bisogna operare secondo accordi internazionali Per Internet sono stati definiti due protocolli di tipo EGP: Exterior Gateway Protocol (EGP) Border Gateway Protocol (BGP)

52 EGP: Exterior Gateway Protocol Primo protocollo tra AS risale ai primi anni ottanta (RFC 827) Caratterizzato da tre funzionalità principali: neighbor acquisition verificare se esiste un accordo per diventare vicini neighbor reachability monitorare le connessioni con i vicini network reachability scambiare informazioni sulle reti raggiungibili da ciascun vicino EGP è simile ad un protocollo distance vector le informazioni inviate ai vicini sono sostanzialmente informazioni di raggiungibilità non sono specificate le regole per definire le distanze la distanza minima può non essere il criterio migliore da seguire 103 EGP: limiti EGP fu progettato per una topologia assai specifica, una dorsale di Internet, la rete ARPAnet vari domini connessi alla dorsale attraverso un unico router Funziona bene per una topologia ad albero, ma non per reti a maglia complessa (presenza di cicli) la convergenza del protocollo può essere molto lenta si possono facilmente creare instabilità Non si adatta velocemente alle modificazioni della topologia EGP non implementa alcun meccanismo di sicurezza qualunque malintenzionato può annunciare quello che vuole ed essere creduto dai router un router guasto può danneggiare il routing di tutta la rete

53 BGP: Border Gateway Protocol BGP è stato concepito come sostituto di EGP Oggi è in uso la versione 4 (RFC 1771) consente l uso del CIDR I router BGP appartenenti a AS adiacenti si scambiano informazioni attraverso connessioni TCP (porta 179) le comunicazioni sono affidabili funzionalità di controllo degli errori demandate allo strato di trasporto BGP più semplice BGP è un protocollo di tipo path vector nel vettore dei percorsi si elencano tutti gli AS da attraversare per andare da una sorgente ad una destinazione risolve il problema dei percorsi ciclici più consono a definire le politiche di routing tra AS rispetto alla semplice distanza 105 BGP: Path Vector Come si evitano i cicli: quando un router di bordo di un AS riceve un path vector controlla se il suo AS è già elencato al suo interno se lo è significa che esiste la possibilità di un loop e quel path vector non viene considerato altrimenti il path vector viene aggiornato con l indicazione dell AS di appartenenza e comunicato ai vicini, in quanto considerato corretto Come si applicano le politiche di routing: se nel path vector ci sono uno o più AS incompatibili, lo si ignora Questo approccio non richiede che tutti i router usino la stessa metrica possibilità di scelte arbitrarie Consuma maggior banda per le informazioni di routing Richiede più memoria nei router per mantenere le tabelle