Algoritmi di Routing. a.a. 2009/2010 Ing.Veronica Palma

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1 Algoritmi di Routing a.a. 2009/2010 Ing.Veronica Palma

2 Il livello NET Le principali funzioni del livello Network sono: routing (scelta del cammino migliore); controllo del flusso (gestione del flusso di dati); controllo della congestione ( gestione della congestione); internetworking (gestione delle problematiche relative alla presenza di più reti diverse tra loro):

3 La funzione di Routing L instradamento (routing) è una funzione di natura logica avente lo scopo di guidare l informazione; decidere un criterio di instradamento significa stabilire come si sceglie un percorso attraverso la rete logica tale che l info emessa da un utente arrivi ad un altro utente rispettando opportuni criteri prestazionali; Riguardanti l utente: QoS percepita, ritardi di trasferimento, perdita di info Riguardanti l operatore di rete: Efficienza di utilizzazione delle risorse, resistenza ai guasti, traffico totale trasportabile sulla rete.

4 La funzione di Routing La funzione di routing deve soddisfare opportuni requisiti: deve coordinare sistemi diversi e numerosi; deve far fronte a possibili guasti della rete; deve sfruttare le risorse di rete in modo dinamico/adattivo. La funzione di routing si avvale principalmente di: algoritmi di routing: usate per il calcolo delle tabelle di instradamento note le informazioni sulla topologia della rete

5 Le tabelle di instradamento Le tabelle di instradamento tengono traccia di tutte le possibili destinazioni e delle modalità per raggiungerle. Una tabella di routing contiene la coppia (N,I) dove N è il nodo di destinazione e I è l indirizzo del prossimo router lungo la strada che porta al nodo finale. Possono essere presenti anche i valori dei costi associati ai nodi intermedi.

6 Gli Algoritmi di Routing Proprietà di un algoritmo di routing: semplicità computazionale: i router hanno memoria e capacità di elaborazione finite e limitate; robustezza: l algoritmo si deve adattare a cambiamenti del flusso del traffico e della topologia della rete (es. guasti dei nodi e/o dei rami); equità: stesse prestazioni a tutti gli utenti della rete entro i vincoli delle priorità;

7 Gli Algoritmi di Routing Proprietà di un algoritmo di routing: Stabilità: l algoritmo deve convergere (arrivare ad uno stato di equilibrio) quando cambia il traffico o la topologia; Ottimalità: l algoritmo deve ricercare il percorso più conveniente per minimizzare/massimizzare opportuni parametri.

8 Gli Algoritmi di Routing Cosa ottimizzare? Ritardo medio dei pacchetti; Portata della rete.

9 Gli Algoritmi di Routing Cosa ottimizzare? Occorre definire una metrica In genere si considerano: HOPS : numero dei salti effettuati ossia il numero di nodi intermedi incontrati lungo il cammino; COSTO : somma dei costi di tutte le linee attraversate ( il costo di una linea è inversamente proporzionale alla sua velocità)

10 Tassonomia

11 Tassonomia Elemento caratterizzante un algoritmo di routing è l individuazione del nodo di rete che opera la decisione. Si distinguono 3 tipi di algoritmi: centralizzati : (routing con tabelle) esiste un centro di controllo che costruisce la tabella e la comunica ai nodi interessati della rete; distribuiti : (routing dinamico con tabella) tutti i nodi cooperano per costruire ognuno la propria tabella; isolati : (routing senza tabella) i nodi non interagiscono tra loro, le tabelle vengono create sulla base delle info sullo stato di rete raccolte localmente.

12 L algoritmo Random Random Algoritmi senza tabella Il ramo di uscita dal nodo viene scelto casualmente, a meno che la destinazione del pacchetto non sia collegato direttamente a tale nodo. PRO: semplice; robusto. CONTRO: non garantisce l ottimalità dell uso delle risorse di rete; alta varianza del tempo di trasposto del pacchetto nella rete.

13 Algoritmi senza tabella Flooding Ogni pacchetto ricevuto è trasmesso, replicato su tutti i link uscenti, fatta eccezione per il link da cui è arrivato. Problema: creazione di copie multiple del pacchetto. La crescita può essere limitata: associando ad ogni pacchetto un contatore dei salti effettuati; tenendo traccia dei pacchetti già inviati; Inviando i pacchetti solo ad un sottoinsieme dei rami della rete che vanno verso la direzione giusta (flooding selettivo)

14 Flooding Algoritmi senza tabella

15 Algoritmi senza tabella Flooding È una tecnica robusta e la consegna del pacchetto è garantita se esiste almeno un percorso valido. È usato principalmente: in ambito militare (robustezza); aggiornamento di database distribuiti (broadcast);

16 Algoritmi senza tabella Source Routing Il nodo sorgente determina l intero percorso del pacchetto fino al nodo destinazione. Nell header del pacchetto è presente la tupla: ( H, N, N,..., N, H ) s 1 2 L d Indirizzo dell host sorgente Indirizzi nodi intermedi Indirizzo dell host destinazione Ogni nodo che ha ricevuto il pacchetto, lo rilancia il pacchetto verso il nodo a valle come stabilito dalla stringa di indirizzi.

17 Algoritmi senza tabella Source Routing ue possibili modalità per individuare il percorso verso destinazione: Path server : esiste un unico server che indica ai nodi il percorso. Tecnica di tipo centralizzato. Pro: semplice Contro: bassa affidabilità Path discovery : il nodo sorgente invia in flooding un pacchetto alla destinazione. Ogni nodo di transito registra la propria identificazione in tutte le repliche. Il nodo destinazione sceglie la via migliore e la comunica alla sorgente. Tecnica di tipo isolato.

18 Algoritmi con tabelle Algoritmi statici È un instradamento di tipo centralizzato. La tabella di routing viene elaborata da un centro di controllo e comunicata al nodo la parte ad esso necessaria. Al variare della topologia della rete, le tabelle di routing vengono aggiornate. I percorsi sorgente-destinazione rimangono inalterati al variare delle condizioni di carico. Ogni nodo ha una tabella di routing scritta a mano con info del tipo: Indirizzo di destinazione linea

19 Algoritmi con tabelle Algoritmi statici Per individuare il percorso sorgente-destinazione si utilizzano algoritmi tipo quello di ijkstra per determinare il cammino minimo ossia quello che impiega il minor numero di risorse; Pro: semplice da implementare e da gestire Contro: privo di flessibilità

20 Algoritmi con tabelle Si definiscono: j Algoritmo di ijkstra : costo della via a costo minimo dal nodo sorgente s al nodo j; d i j : costo del collegamento diretto tra i e j; d se i due nodi non ij = sono connessi direttamente; N : insieme dei nodi della rete M : insieme dei nodi dell albero corrente. V(M): insieme dei nodi adiacenti all insieme M, raggiungibili cioè in solo salto da un nodo qualunque di M.

21 Algoritmi con tabelle I passi del algoritmo sono: M { s} = d j V ( s) j j = sj = otherwise { } Algoritmo di ijkstra { } { } Select k V ( M ) = min M = M + k k i V ( M ) j = min, + d j V ( M ) j j k kj if M = N stop else go to 2

22 Algoritmi con tabelle Algoritmo di ijkstra C B A F 2 E

23 Algoritmi con tabelle Algoritmo di ijkstra = 1 B B C = 1 B B C C = 4 A A F = 3 F E F = 2 F E E = 6 { }, ( ) {, } M = A V M = B F {, }, ( ) {,, } M = A B V M = C E F

24 Algoritmi con tabelle Algoritmo di ijkstra = 1 B C = 4 = 1 B C = 4 = 8 = 5 F = 2 E = 4 F = 2 E = 4 {,, }, ( ) {,, } M = A B F V M = C E {,,, }, ( ) {, } M = A B E F V M = C

25 Algoritmi con tabelle Algoritmo di ijkstra = 1 B B C C = 4 = 5 = 1 B C = 4 = 5 A F = 2 F E E = 4 F = 2 E = 4 {,,,, }, ( ) { } M = A B C E F V M = M = { A, B, C,, E, F}

26 Algoritmi con tabelle Algoritmi dinamici Le tabelle di instradamento vengono create e periodicamente aggiornate in modo automatico; consentono di adattare le decisioni di instradamento a: variazioni topologiche della rete; inserimento di nuovi nodi o collegamenti; caduta di un nodo o collegamento per guasto. condizioni di traffico. si evita di scegliere percorsi con collegamenti congestionati.

27 Algoritmi con tabelle Algoritmo distance vector Ogni nodo mantiene una tabella di tutti gli instradamenti a lui noti; Ogni entry della tabella indica: una rete raggiungibile; next hop; numero di hops necessari per raggiungere destinazione. Periodicamente, ogni nodo invia ai nodi vicini un messaggio contenente il distance vector ; Il distance vector è l insieme di coppie (indirizzo, distanza).

28 Algoritmi con tabelle Algoritmo distance vector La distanza è espressa tramite metriche classiche quali numeri di hop e salti; Ogni nodo memorizza per ogni linea l ultimo distance vector ricevuto; I nodi aggiornano la propria tabella nel caso di: eventuale modifica di info relative a cammini già noti; eventuale aggiunta di nuovi cammini; eventuale eliminazione di cammini non più disponibili.

29 Algoritmi con tabelle Algoritmo Bellman-Ford Il distance vector può essere considerato un implementazione particolare dell algoritmo Bellman-Ford per la scelta dei cammini minimi. Si definiscono: h j : costo della via a costo minimo dal nodo sorgente s al nodo j con un numero massimo h di salti: d : costo del collegamento diretto tra i e j; d = ij ij se i due nodi non sono connessi direttamente.

30 Algoritmi con tabelle Algoritmo Bellman-Ford I passi dell algoritmo sono: 1. h = 0 h =, j s j h = h { } = min + d, h h h j i i ij j if ( h = h ) stop max else go to2

31 Algoritmi con tabelle Algoritmo Bellman-Ford C B A F 2 E

32 Algoritmi con tabelle Algoritmo Bellman-Ford = 1 1 B B C A = 3 1 F F E h = 1

33 Algoritmi con tabelle Algoritmo Bellman-Ford = 1 2 B B C = 4 2 C A = 9 2 = 2 2 F F E = 5 2 E h = 2

34 Algoritmi con tabelle Algoritmo Bellman-Ford = 1 3 B B C = 4 3 C A = 6 3 = 2 3 F F E = 4 3 E h = 3

35 Algoritmi con tabelle Algoritmo Bellman-Ford = 1 4 B B C = 4 4 C A = 5 4 = 2 4 F F E = 4 4 E h = 4

36 Algoritmo Link State Algoritmi con tabelle Ogni router deve: Scoprire i propri vicini e i loro indirizzi di rete messaggi HELLO Misurare il ritardo (o il costo) per ognuno dei suoi vicini messaggi ECHO Costruire un pacchetto, Link State Packet (LSP), contenente tutte le informazioni acquisite lista dei suoi vicini; le lunghezze dei collegamenti per raggiungerli;

37 Algoritmo Link State Algoritmi con tabelle Spedire questo pacchetto a tutti i router si usa la tecnica di flooding; al pacchetto LSP si aggiunge: un numero di sequenza di 32 bit; indirizzo del mittente; età del pacchetto. Calcolare il cammino minimo per ogni altro router algoritmo di ijkstra

38 Algoritmi con tabelle Algoritmo Link State All'atto della ricezione di un LSP il router compie le seguenti azioni: Se non ha mai ricevuto LSP da quel router o se il LSP è più recente di quello precedentemente memorizzato: memorizza il pacchetto; lo ritrasmette in flooding su tutte le altre linee eccetto quella da cui l l ha ricevuto. Se il LSP ha lo stesso numero di sequenza di quello posseduto non fa nulla; Se il LSP è più vecchio di quello posseduto trasmette al mittente il pacchetto più recente

39 istance Vector vs Link State istance Vector Algoritmi con tabelle Semplice da implementare Richiede minor quantità di memoria e ridotta capacità di calcolo per connettività di rete basse Convergenza lenta Link State Maggiori funzionalità per la gestione della rete Velocità di convergenza maggiore Il flooding dei pacchetti LSP può provocare un aumento del traffico

40 Routing gerarchico Algoritmi gerarchici È necessario per reti di grandi dimensioni per cui sarebbe difficile gestire le tabelle di routing. Con un algoritmo gerarchico: i nodi vengono divisi in regioni; ogni nodo conosce la topologia della propria regione; per destinazioni fuori dalla regione, i pacchetti sono inviati a dei router di bordo che conoscono la topologia esterna dell area; I router di bordo si occupano solo dell instradamento di pacchetti fra aree.

41 Routing gerarchico Algoritmi gerarchici

42 Routing gerarchico Algoritmi gerarchici Il processo di strutturazione può essere esteso definendo più livelli gerarchici, tanti quanti sono necessari per una gestione ottimale delle tabelle di instradamento, dividendo le regioni in aree, le aree in zone Il numero ottimale di livelli per N router è : ln N (Kleinrock 1979)

43 Broadcast Routing Instradamento broadcast È utile ad es. per la distribuzione di tabelle di routing. Le possibili tecniche sono: il nodo sorgente spedisce il pacchetto ad ogni destinazione; poco efficiente; la sorgente deve conoscere tutte le destinazioni; flooding; Poco efficiente: genera troppi pacchetti e consuma troppa banda multidestination routing;

44 Multidestination routing Broadcast Routing Nell header di ogni pacchetto è presente una lista di tutte le destinazioni a cui deve essere consegnato; Quando un nodo riceve un pacchetto vede verso quali linee di uscita deve inoltrare il pacchetto (linea di uscita: cammino ottimo verso una delle destinazione); Il nodo crea una nuova copia del pacchetto per ciascuna linea di uscita; Nell header di ciascuna copia è inserita la lista di tutte le linee di uscita

45 Multidestination routing Broadcast Routing PRO: genera il numero minimo di copie del pacchetto ottimizzazione delle risorse CONTRO: deve avere informazione su tutti nodi della rete.

46 BIBLIOGRAFIA A. Pattavina "Reti di Telecomunicazioni"-LTU Ed. Tanembaum, Computer Networks, Prentice Hall Edition A.Roveri, Retematica, Università degli Studi di Roma La Sapienza: