Marco Listanti. Routing IP. DIET Dept. Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 2017/2018

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1 Marco Listanti Routing IP Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

2 Instradamento (Routing) () Consiste nell individuazione del cammino che deve essere seguito dai pacchetti di un flusso tra la sorgente e la destinazione i Il criterio di scelta del cammino è orientato a soddisfare specifici obiettivi (es. throughput di rete, ritardo, ecc.) La funzione di routing appartiene al piano di controllo della rete Due possibili alternative Instradamento centralizzato (Centralized routing) Instradamento distribuito (Distributed routing) Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

3 Instradamento (Routing) () La funzione di instradamento t può essere eseguita Pacchetto per pacchetto durante la fase di trasferimento di un flusso Il cammino può variare durante la durata del flusso In questa modalità non è possibile l esecuzione delle funzioni Connection Admission Control (CAC) Esempio: IP Flusso per flusso durante la fase di instaurazione Il cammino normalmente non varia per tutta la durata del flusso; è lo stesso per tutti i pacchetti del flusso Durante questa fase può venire anche verificata la disponibilità delle risorse di rete (banda e buffer) lungo il cammino per il soddisfacimento dei requisiti di qualità richiesti dal flusso (Connection Admission Control - CAC) Nel caso in cui un flusso non possa essere instaurato il flusso è rifiutato (Connection Blocking) Esempio: MPLS Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

4 Instradamento centralizzato Le informazioni relative alla topologia di rete sono contenute in un unico elemento di rete (routing server) che provvede alla determinazione dei percorsi Le informazioni sulla topologia sono aggiornate mediante un protocollo di segnalazione tra il routing server e gli altri nodi di rete Criticità Frequenza di aggiornamento delle informazioni topologiche Affidabilità del routing server I nodi di rete inviano una richiesta al routing server che provvede a comunicare il percorso per ciascun flusso Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

5 Instradamento distribuito Tutti i nodi di rete collezionano tramite un protocollo di segnalazione le informazioni relative alla topologia di rete (topology database) Criticità Frequenza di aggiornamento delle informazioni topologiche Allineamento dei database topologici dei nodi della rete Scalabilità dei meccanismi di aggiornamento delle informazioni topologiche I percorsi sono individuati attraverso la cooperazione dei nodi attraversati da un flusso Hop-by-hop routing ogni nodo sceglie e esclusivamente il nodo successivo (next hop) sul percorso verso la destinazione Source routing il nodo sorgente del flusso determina l intero lintero percorso verso la destinazione (segment Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

6 Routing database Routing Information Database (RIB) o Routing Table (RT) Contiene tutte le informazioni di raggiungibilità delle destinazioni ricevute dagli altri router (network prefix, router port identifier, next hop information, metrics) Sono ottimizzate per memorizzare le informazioni ricevute tramite i protocolli di routing (OSPF) Forwarding Information Database (FIB) Sono strutture ottimizzate per un fast lookup, es. Ternary Content Addressable Memory (TCAM) Le informazioni i i contenute t nel FIB sono ricavate dal RIB Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

7 RIB e FIB OSPF messages BGP messages RIB Incoming packets Outgoing gpackets FIB Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

8 RIB (Routing Table) Esempio di Routing Table Network Destination Netmask Gateway Interface Metric Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

9 Content Addressable Memory () Una CAM è una memoria specializzata per eseguire operazioni di matching in modo parallelo Es. Longest Prefix Matching Rispetto ad una memoria RAM, una CAM, oltre alle celle di memoria, contiene i circuiti di confronto per rilevare un match tra i bit memorizzati e i bit di input Elevate prestazioni: i oltre x 6 lookup/sec Alto consumo: circa - W per chip Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

10 Content Addressable Memory () Le CAM sono memorie speciali ottimizzate per le operazioni di confronto Operazione di lettura in una memoria tradizionale (RAM) Input: indirizzo di una locazione di memoria Output: contenuto della locazione di memoria Nelle CAM l operazione di lettura è inversa Input: parola da confrontare Output: indirizzo della locazione che contiene la parola Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

11 RAM vs CAM RAM vs CAM RAM Input CAM Input nput In utput O Ou Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/ Output

12 Ternary Content Addressable Memory Ternary Content Addressable Memory R d C M C M h l Rispetto ad un CAM, una TCAM consente anche il confronto con presenza di don t care () Input Keyword Input Keyword M h Match Match Match Match Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

13 Longest Prefix Matching con TCAM () I prefissi sono ordinati in ordine di lunghezza crescente Un Destination Address è confrontato con i prefissi, i ordine crescente di lunghezza Il primo match indica l indirizzo del record della Routing Table che contiene le informazioni di instradamento Routing Table Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

14 Architettura Routing IP In un Autonomous System (AS), i router si scambiano tra loro i messaggi di aggiornamento dello stato della topologia di rete (nodi, link, metriche) Link State Advertisements (LSA) Ogni router costruisce la sua visione i della topologia di rete nel proprio DB topologico Il modello di rete contenuto nel DB topologico costituisce l input all algoritmo di Dijkstra che calcola lo Shortest Path tra il router e gli altri router della rete Gli shortest path sono usati per costruire la routing table Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

15 Algoritmo di Djikstra Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. /6

16 Algoritmo di Dijkstra L obiettivo dell algoritmo di Dijkstra è il calcolo dello Shortest Path Tree avente come radice il router che esegue l algoritmo (nodo sorgente) E un algoritmo greedy che effettua in ogni passo la scelta ottima del cammino (Shortest Path) tra il nodo sorgente e un altro nodo della rete L algoritmo procede a passi successivi al passo k-mo sono stati individuati i k nodi raggiungibili dal nodo sorgente tramite i cammini a costo minimo tali k nodi formano l insieme S k al passo k+-mo si individua il nodo u che è raggiungibile dal cammino a costo minimo che ha come origine il nodo s e che attraversa esclusivamente i nodi dell insieme S k viene formato l insieme S k+ aggiungendo il nodo u all insieme S k l algoritmo termina quando sono stati esplorati tutti i nodi Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

17 Algoritmo di Dijkstra x x k- u Al passo k viene aggiunto all insieme S k- il nodo u caratterizzato dal cammino a costo minimo dal nodo sorgente s che attraversa esclusivamente i nodi dell insieme S k- x i s x Insieme S k- Insieme S k Situazione al passo k Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

18 Algoritmo di Dijkstra () S: è l insieme dei nodi raggiunti ed è il database degli shortest path Q: insieme i dei nodi non ancora raggiunti, contiene inoltre la stima corrente degli shortest path verso questi nodi d[ ]: stima della distanza minima dal nodo sorgente al nodo w[u, ]: peso del ramo tra i nodi u e p[ ]: nodo predecessore del nodo nello shortest path dal nodo sorgente ETRACT-MIN(Q): estrae l elemento con il minimo valore dall insieme Q DECREASE_KEY[,Q]: aggiorna la stima dello shortest path verso il nodo Dijkstra algorithm pseudocode Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

19 Algoritmo di Dijkstra () Step - Il router sorgente è la radice dello SPT. Il costo di raggiungimento g della radice è zero. La distanza di tutti gli altri nodi è infinita Dijkstra algorithm pseudocode Step 6 L insieme Q comprende tutti i nodi Step -9 E estratto dall insieme Q e aggiunto all insieme S il nodo u, caratterizzato dal valore minimo del costo di raggiungimento. Viene copiato in S lo shortest path verso il nodo u Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

20 Algoritmo di Dijkstra () Step - Per ogni nodo adiacente al nodo u La stima corrente d[ ] del costo minimo di raggiungimento del nodo è confrontata t con la somma della distanza d[u] e il peso w[u, ] del ramo tra il nodo u e il nodo adiacente Se la somma è minore della stima precedente, la somma diviene la nuova stima, il nodo u diviene il nodo predecessore di Viene aggiornata la stima dello shortest path verso il nodo Dijkstra algorithm pseudocode Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

21 Algoritmo di Dijkstra Al termine l insieme S N è uno spanning tree del grafo di partenza contenente i cammini a costo minimo tra il nodo sorgente e tutti gli altri nodi del grafo Si noti che al passo k-mo viene aggiunto all insieme S k- il k-mo nodo e per questo è individuato il cammino a costo minimo con il nodo sorgente; tale cammino non subirà più variazioni nei passi successivi eseguiti dall algoritmo questo cammino transita esclusivamente attraverso i nodi sinora compresi nell insieme S k- Se lo shortest path tra s e u attraversa p nodi intermedi (s, n, n,, n p, u), tutti i sub-cammini tra ogni coppia di nodi sono essi stessi shortest path (Proprietà di sub-ottimalità) La complessità dell algoritmo è o(n logn) Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

22 Esempio Dijkstra Algorithm () V V 6 V 6 V 7 V V V V 6 V 6 V 7 V V S = {} S = {,} S ={} {,,} Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/ V V 6 V 6 V 7 V V

23 Esempio Dijkstra Algorithm () V V 6 V 6 V 7 V V V V 6 V 6 V 7 V V S = {,,,} S = {,,,,} Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/ V V 6 V 6 S 6 ={6} {,,,,,6} 7 V V V

24 Dijkstra con cammini minimi multipli () Nel caso esistano cammini minimi multipli tra due nodi è opportuno tenerne conto nell instradamento in modo da suddividere il carico tra tutti questi cammini Occorre modificare l algoritmo l base di Dijkstra in modo che individui i cammini multipli Modifica: Quando si aggiunge g un nodo all insieme S k, occorre aggiornare i cammini verso i nodi esterni all insieme S k e memorizzare eventuali cammini multipli con lo stesso costo verso lo stesso nodo Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

25 Dijkstra con cammini multipli () Al passo k viene aggiunto all insieme S k- il nodo U. Si considerano tutti i cammini a costo minimo dal nodo s che attraversano esclusivamente x x k- u in nodi dell insieme S k- Esempio: [s,,x i,u], [s,,x k-,u], x i s x Insieme S k- Insieme S k Situazione al passo k Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

26 Dijkstra a cammini multipli () Step - Per ogni nodo adiacente al nodo u La stima corrente d[ ] del costo minimo m di raggiungimento del nodo è confrontata con la somma della distanza d[u] e il peso w[u, ] del ramo tra il nodo u e il nodo adiacente Se la somma è minore o uguale alla stima precedente, la somma diviene la nuova stima, il nodo u diviene il nodo predecessore di Viene aggiornata la stima dello shortest path verso il nodo Al termine dell algoritmo, il routing database contiene tutti i cammini i a costo minimo tra il nodo sorgente e un qualsiasi altro nodo Dijkstra algorithm pseudocode Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

27 Dijkstra a cammini multipli () V V 6 V 6 V 7 V V V V 6 V 6 V 7 V V S = {} S = {,} S ={} {,,} Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/ V V 6 V 6 V 7 V V

28 Dijkstra a cammini multipli () V V 6 V 6 V 7 V V V V 6 V 6 V 7 V V S = {,,,} S = {,,,,} Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/ V V 6 V 6 S 6 = {6} {,,,,,6} 7 V V V

29 Dijkstra a cammini multipli (6) Shortest Path Tree finale V V V 6 V V V Il traffico tra V ev può seguire tre path alternativi; il carico può essere ripartito su questi tre cammini Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

30 Equal Cost Multi Path (ECMP) ECMP è una tecnica che rende possibile l uso di equal cost path tra cui distribuire il traffico Gli equal cost path calcolati dall algoritmoalgoritmo di Dijkstra sono memorizzati nella tabella di bilanciamento del carico (Load Balancing Table) Un fattore che limita l uso degli equal cost path è il loro numero Normalmente il numero massimo di equal cost path èugualeao6 a E stato valutato che con ECMP il throughput di rete aumenta di un valore variabile tra il % e % I percorsi alternativi possono essere utilizzati come backup reciproco in caso di guasto in rete Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/

31 ECMP Il traffico tra S e D è ripartito sui tre cammini in modo uguale Solo il nodo sorgente supporta l ECMP, gli altri nodi si comportano come nel caso si single path Tecniche e Modelli di Rete - Prof. Marco Listanti - A.A. 7/