Capitolo 4 - parte 1. Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella Como 2003

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1 Capitolo 4 - parte 1 Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella Como 2003

2 Lo strato di rete Lo scopo è di trasportare i pacchetti dalla sorgente alla destinazione utilizzando uno schema di indirizzamento. Lo strato esiste in ogni nodo della rete (host o router) La funzione principale è di individuare un percorso opportuno: algoritmi (e protocolli) di routing applicazione trasporto rete data link fisico rete data link fisico rete data link fisico rete data link fisico rete data link fisico rete data link fisico rete data link fisico rete data link fisico rete data link fisico applicazione trasporto rete data link fisico M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 2

3 Modelli di servizio di rete Lo strato di rete offre allo strato di trasporto un servizio di consegna dei segmenti. Le caratteristiche del servizio possono variare fra due estremi: - servizio orientato alla connessione con garanzia di qualità (es: circuito telefonico) - multiplexing statistico di pacchetti senza connessione (esempio: Internet) Inoltre, il servizio è offerto :??? su circuiti virtuali o senza? M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 3

4 Memento: Parametri di QoS I principali parametri per quantificare la qualità del servizio offerto da una rete sono : - ritardo in una direzione (one-way delay) - la variazione del ritardo (one-way IP packet delay variation o ipdv); - capacità; - perdita di pacchetti in una direzione (non dati). L insieme è comune a IETF e ITU-T. Nomenclatura e definizioni seguono la RFC 2330 (Framework for IP Performance metrics) and sono modificate secondo l evoluzione decisa dal gruppo di lavoro IPPM di IETF. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 4

5 Parziale tassonomia delle reti Reti di telecomunicazione Reti a commutazione di circuito Reti a commutazione di pacchetto FDM WDM TDM Reti a Circuiti Virtuali (VC) Reti a datagrammi Il multiplexing statistico di datagrammi funziona su entrambe. Le reti a commutazione di circuito possono offrire maggiori garanzie di Qualità del Servizio (QoS) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 5

6 I modelli di rete per i dati Internet richiesta base alla rete di puro instradamento, senza garanzie di QoS (Best Effort) intelligenza solo negli endnode, ai bordi gestione errori e controllo nel protocollo di trasporto negli end node agnostico sul tipo di data link, permettendo la complessità e la variabilità Asynchronous Transfer Mode evoluzione ai dati del modello telefonico e quindi: richieste di sincronia e affidabilità garanzie di servizio (QoS) end node stupidi complessità solo all interno della rete basato su circuiti virtuali rete omogenea (solo ATM) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 6

7 Il modello Internet - nessuna chiamata all inizio della connessione - router: nessun stato per connessione (flusso) - la gestione è pacchetto per pacchetto, senza storia - pacchetti smistati usando l indirizzo di destinazione - pacchetti fra la stessa sorgente e destinazione possono percorrere percorsi diversi applicazione trasporto rete data link fisico 1. Invio dati 2. Ricezione dati applicazione trasporto rete data link fisico M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 7

8 Il servizio standard di rete di Internet: Best Effort E in grado di crescere bene Basato sul multiplexing statistico Complessità nei sistemi, rete semplice (modello end-to-end) Degrada bene, il service non è mai rifiutato anche se le risorse sono congestionate (capacità, sistemi ) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 8

9 Confronto modelli di rete Architettura di rete Modello di Servizio Capacità Garanzie? Perdita Ordine ipdv Segnalazione Congestione Internet ATM best effort CBR no costante no si no si no si no (inferita dalle perdite) no ATM ATM ATM VBR ABR UBR garantita valore medio minimo garantito nessuna garanzia si no no si si si si no no no si no ATM suppone un traffico predicibile per poter funzionare bene, che non è possibile con traffico dati statistico M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 9

10 I circuiti virtuali (VC) Stabilire un canale logico dalla sorgente alla destinazione che si comporti come un circuito telefonico permetta anche di avere garanzie di QoS la rete sia parte attiva nella gestione del canale Il circuito deve essere creato prima che i dati possano passare un pacchetto può portare un identificatore di circuito ogni router lungo il canale deve mantenere stato per ogni circuito virtuale che lo attraversa ulteriori risorse del router e del canale possono essere dedicate al VC per ottenere QoS M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 10

11 I circuiti virtuali (VC) Il circuito virtuale può essere creato manualmente, in anticipo, (circuito virtuale permanente o statico) includendo o meno garanzie di QoS. Vi è il problema della complessità di gestione manuale dei VC il cui numero cresce come N(N-1)/2, dove N è il numero di nodi coinvolti. Oppure si può usare un protocollo di segnalazione per la creazione dinamica del VC. In entrambi i casi vi sono problemi di tempo per la creazione del circuito autenticazione ed autorizzazione fra router e domini diversi M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 11

12 Protocollo di segnalazione In pratica solo ReSource reservation Protocol (RSVP) usato to creare, mantenere, cancellare VC con certe caratteristiche usato da data link quali ATM, frame-relay, X.25 usato oggi (poco) in Internet da Multi Protocol Label Switching (MPLS) applicazione trasporto rete data link fisico 5. inizio flusso dati 6. ricezione dati 4. connessione 3. accettazione 1. inizio chiamata 2. arrivo chiamata applicazione trasporto rete data link fisico M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 12

13 Algoritmi di routing Protocollo di Routing Scopo: determinare un buon percorso (serie di router) dalla sorgente alla destinazione. Per gli algoritmi di routing si astrae la rete fisica in grafi: - i nodi del grafo sono router - i lati del grafo sono linee fisiche costo delle linee: ritardo, costo monetario, livello di congestione o di saturazione A B D buon percorso: tipicamente minimizza il costo totale altre definizioni possibili C E F M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 13

14 Classificazione degli algoritmi di routing Informazione globale o locale globale: tutti i router conoscono l intera topologia ed i costi: algoritmi di link state decentralizzato: i router conoscono solo i vicini direttamente connessi ed i costi relativi processo iterativo di calcolo con scambio di informazione con i vicini algoritmi di distance vector Statico or dinamico Statico: le rotte cambiano lentamente nel tempo Dinamico: rotte cambiano più rapidamente aggiornamenti periodici reazioni a cambiamenti di costo M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 14

15 Un algoritmo di routing Link-State L algoritmo di Dijkstra La topologia della rete e i costi delle linee noti a tutti i nodi realizzato attraverso link state broadcast tutti i nodi hanno la stessa informazione calcola il percorso con costo minore da un nodo (sorgente) a tutti gli altri fornisce routing table iterativo: dopo k iterazioni, coverge al percorso di costo minore verso k destinazioni Notazione: c(i,j): costo della linea dal nodo i a j. Il costo è infinito se non sono vicini diretti D(v): valore corrente del costo del cammino dalla sorgente alla destinazione V p(v): nodo che precede v (ed è collegato a v) nel percorso dalla sorgente a v N: insieme dei nodi di cui il cammino di costo minore è noto M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 15

16 Algoritmo di Dijsktra 1 Initializzazione: 2 N = {A} 3 for all nodes v 4 if v adjacent to A 5 then D(v) = c(a,v) 6 else D(v) = infinity 7 8 Loop 9 find w not in N such that D(w) is a minimum 10 add w to N 11 update D(v) for all v adjacent to w and not in N: 12 D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) ) 13 /* il nuovo costo per v è o il vecchio costo per v oppure il 14 percorso a costo minore per w più il costo da w a v */ 15 until all nodes in N M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 16

17 Algoritmo di Dijsktra: esempio Passo N iniziale A AD ADE ADEB ADEBC ADEBCF D(B),p(B) 2,A 2,A 2,A D(C),p(C) 5,A 4,D 3,E 3,E D(D),p(D) 1,A D(E),p(E) 2,D D(F),p(F) 4,E 4,E 4,E 5 A 1 2 B D C E F M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 17

18 Algoritmo di Dijsktra: discussione Complessità dell algoritmo : n nodi ogni iterazione: controllo di tutti i nodi, w, non in N e quindi sono necessari n*(n+1)/2 confronti: O(n 2 ) La più efficente implementazione è dell ordine di O( n log(n) ) Possibili oscillazioni in funzione del tipo di costo: per esempio se il costo del percorso è funzione della quantità di traffico. Lentezza in caso di reti di grandi dimensioni magliate. 1 1 A 1+e D 0 0 B 0 e C 1 e iniziale 2+e A 0 D 1+e 1 B 0 0 C ricalcolo 0 A 2+e D 0 0 B 1 C 1+e ricalcolo 2+e A 0 D 1+e 1 B 0 e C ricalcolo M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 18

19 Algoritmo di distance vector Iterativo: continua fino a quando nessun nodo scambia altre informazioni auto-terminante: nessun segnale di fine asincrono: l iterazione non dipende da tutti i nodi in cicli chiusi distributo (locale): ciascun nodo comunica solo con i nodi vicini Tabella delle distanze ogni nodo ha la sua riga per ogni possibile destinazione colonna per ogni vicino direttamente connesso esempio: nel nodo X, destinazione Y attraverso il vicino Z: X D (Y,Z) = = distanza da X a Y via Z come next hop Z c(x,z) + min {D (Y,w)} w M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 19

20 Tabella di distanze : esempio A 1 E D (C,D) E D (A,D) E D (A,B) 7 B E C D D = c(e,d) + min {D (C,w)} w = 2+2 = 4 D = c(e,d) + min {D (A,w)} w = 2+3 = 5 loop! 2 B c(e,b) + min {D (A,w)} w = = 8+6 = 14 loop! destinazione costo per la destinazione via E D () A B C D A B D M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 20

21 Dalla tabella delle distanze a quella di routing E D () costo alla destin. via A B D D E () next hop (linea) in uscita da usare, costo A A A,1 destinazione B C D destinazione B C D D,5 D,4 D,2 A 1 7 B E C D 2 Tabella delle distanze Tabella di routing M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 21

22 Routing con algoritmo di Distance Vector Iterativo, asincrono: ogni iterazione locale è causata da: cambio costo link locale messaggio da un vicino: cambio del suo percorso di costo minimo verso un vicino Distribuito (locale): ogni nodo notifica i vicini solo quando vi è un cambio di costo di un suo percorso ad una qualsiasi destinazione i vicini quindi notificano i loro vicini se necessario Ogni nodo: attende (cambio nei costi locali o messaggio dal un vicino ricalcola la tabella distanze se un percorso di costo minimo qualsiasi è cambiato, notifica i vicini M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 22

23 Confronto degli algoritmi di LS e DV Complessità del messaggio: LS: con n nodi, E linee, O(nE) messaggi ciascun nodo DV: scambio solo fra vicini tempo variabile Velocità di convergenza LS: algoritmo O(n 2 ) che richiede O(nE) messaggi può oscillare DV: tempo variabile possibilità di loop aumento all infinito Robustezza: (malfunzionamenti) LS: nodo può segnalare un costo errato della linea ciascun nodo calcola solo la sua propria tabella DV: nodo può segnalare un costo di percorso errato la tabella di ogni nodo è usata dagli altri e l errore si propaga nella rete M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 23

24 Scalabilità del routing I modelli presentati sono un astrazione: tutti i router identici rete piatta la realtà è diversa scalabilità: centinaia di milioni di destinazioni: impossibile avere tabelle di routing che le contengano tutte tabelle troppo grandi per essere scambiate autonomia amministrativa Internet = rete delle reti ciascun dominio (rete) desidera avere la libertà di decidere il routing al proprio interno M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 24

25 Gerarchia nel routing Aggregare blocchi di indirizzi (e quindi router) in aree dette autonomous systems (AS) I router nello stesso AS run utilizzano il medesimo protocollo di routing routing intra-as Router in AS differenti possono usare protocolli di routing intra-as differenti. Gateway routers In ogni AS router speciali che : utilizzano un protocollo intra- AS con gli altri router dell AS sono responsabili delle comunicazioni con altri AS routing inter-as Il protocollo di routing fra AS è diverso da quello interno M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 25

26 Routing Intra-AS ed Inter-AS a C C.b b d A A.a a b A.c c B.a a B c b Gateways: calcolano routing inter-as fra di loro calcolano routing intra-as con altri router dello stesso AS routing intra-as e routing inter-as nel gateway A.c strato di rete strato di data link strato fisico M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 26

27 Routing Intra-AS ed Inter-AS a Host h1 C C.b b A.a Routing inter-as fra A e B A.c a d A b c Routing intra-as all interno dell AS A B.a a B c b Host h2 Routing intra-as all interno dell AS B M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 27

28 Lo strato di rete di Internet Trasporto: TCP, UDP, Strato di rete Protocolli di routing selezione percorso RIP, OSPF, BGP tabella di instradamento Data Link Fisico Protocollo IP specifica indirizzamento formato del datagramma gestione dei pacchetti Protocollo ICMP segnalazione errori scoperta e segnalazione fra router M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 28

29 Indirizzamento IP : introduzione Indirizzo IP : identificatore a 32-bit identifier senza segno per l interfaccia del nodo. interfaccia: punto di connessione fra il nodo e la linea fisica i router hanno tipicamente più di un interfaccia anche gli host possono avere più interfacce uno o più indirizzi IP sono associati a ciascuna interfaccia = notazione decimale puntata M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 29

30 Un indirizzo IP è diviso in due parti: rete (bit più significativi) nodo (bit meno significativi) attraverso una maschera di rete (network mask) a bit (ad 1 per la parte di rete ed a 0 per la parte di nodo). Deve essere specificato quindi non solo l indirizzo, ma anche la maschera di rete. Tutti i nodi con identica parte di rete possono parlarsi fra loro senza l aiuto di un router. Indirizzamento IP LAN Rete composta di 3 reti IP (in cui variano i primi tre byte per la parte di rete e l ultimo (meno significativo) per la parte di nodo. Maschera di rete: M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 30

31 Scalabilità e semplicità: Attraverso la maschera di rete, si creano reti autonome e che possono parlare con le altre reti IP solo attraverso un router. Il router deve avere un interfaccia con un indirizzo in ogni rete. Indirizzamento IP Tre reti ciascuna con maschera di rete: M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 31

32 Indirizzamento IP La classificazione originale degli indirizzi in reti era semplice. Indirizzamento class-full classe A 0 rete nodo a B C D E 10 rete nodo 110 rete nodo 1110 indirizzi multicast 1111 riservati 32 bit a a a a M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 32

33 Indirizzamento IP: CIDR Oggi usato un indirizzamenrto class-less : per ottimizzare l uso degli indirizzi per esempio una rete di classe B blocca indirizzi per nodi, anche se l ente ne possiede solo 2000 CIDR: Classless InterDomain Routing la parte di rete può avere un numero arbitrario di bit descritto come : a.b.c.d/x, dove x è il numero di bit della parte di rete (più significativi) rete nodo /22 : maschera di rete M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 33

34 Indirizzamento IP: CIDR = maschera di rete: (00) = ( ) = = ( ) = rete nodo /22 : maschera di rete M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2003 Cap 4-1 pag. 34