RETI DI CALCOLATORI Lucidi delle Lezioni Capitolo VIII

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1 Prof. Giuseppe F. Rossi Homepage: UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI PAVIA A.A. 2011/12 - II Semestre RETI DI CALCOLATORI Lucidi delle Lezioni Capitolo VIII Algoritmi di instradamento e tecniche di commutazione nelle reti a pacchetto Struttura del capitolo Le problematiche generali in una rete complessa a commutazione di pacchetto Capitolo VIII 1-2/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,

2 Reti complesse a commutazione di pacchetto Un breve riassunto della questione... Una rete di TLC a commutazione di pacchetto non è altro che una rete di calcolatori in cui i diversi nodi elaborano (interamente o in parte) i pacchetti che fluiscono sulla rete stessa Un valido approccio per costruire reti a commutazione di pacchetto è costituito dalle architetture di comunicazione a strati Il funzionamento di una architettura di comunicazione a strati si basa su un principio semplice I livelli bassi svolgono funzioni elementari, mentre i livelli alti svolgono funzioni complesse Per esempio: sostanzialmente in tutte le architetture è stato scelto che i servizi comunicativi offerti dai livelli 1 e 2 siano i responsabili del colloquio tra nodi adiacenti, cioè nodi connessi direttamente tra loro attraverso un canale di comunicazione Obiettivo di questo capitolo sarà lo studio di alcune problematiche generali esistenti nella costruzione di una rete complessa a commutazione di pacchetto Problematiche generali nella costruzione di reti complesse a commutazione di pacchetto Alcune questioni fondamentali Scelta del sistema di indirizzamento globale per identificare univocamente le entità comunicanti presenti sui nodi della rete complessa Identificazione del percorso da seguire (routing) e conseguente inoltro dei pacchetti (forwarding) In funzione del livello architetturale k al quale vengono affrontate le due questioni sopra indicate, un nodo intermedio di commutazione assume nomi specifici (questo tema pratico sarà approfondito nel capitolo Dispositivi di rete) I casi più diffusi k=3 (dispositivi Router) k=2 (dispositivi Bridge / Switch di livello 2) Capitolo VIII 3-4/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,

3 Le due operazioni fondamentali nelle reti di TLC Calcolo del percorso da seguire, nota l'entità destinataria L'operazione prende il nome di routing o instradamento Viene svolta attraverso gli algoritmi di routing Inoltro dei messaggi sul percorso calcolato tramite gli algoritmi di routing L'operazione in generale prende il nome di commutazione. Nel caso specifico delle reti a commutazione di pacchetto spesso viene detta inoltro o forwarding Può essere svolta in vari modi attraverso una serie di tecniche di forwarding Le prossime slide forniranno una classificazione degli algoritmi di routing e delle tecniche di forwarding utilizzati sulle reti a commutazione di pacchetto Definizione di routing di livello k In linea con le definizioni date dalla Teoria dei Grafi, si definisce cammino (o path o route) di livello k tra una entità mittente e una entità destinataria (di livello k) una lista ordinata di entità comunicanti (di livello k) in cui: La prima é l'entità mittente L'ultima é l'entità destinataria Ogni coppia di entità adiacenti nella lista può scambiarsi k-pdu direttamente attraverso il servizio di comunicazione offerto dal livello (k-1) Si definisce instradamento unicast (o routing unicast) l'operazione che associa ad una data coppia (Entità_mittente, Entità_destinataria) un cammino che collega le due entità Si definisce instradamento multicast (o routing multicast) l'operazione che associa ad una data (n+1)-upla (Entità_mittente, Entità_destinataria-1,..., Entità_destinataria-N) N cammini che collegano l'entità mittente con le N entità destinatarie (le quali appartengono ad un dato gruppo di multicast) Capitolo VIII 5-6/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,

4 Definizione di routing di livello k Il concetto generale di routing non é legato ad un particolare livello architetturale Nelle architetture di comunicazione a strati comunemente utilizzate di norma si prevede di svolgere tale operazione a livello 3 (Network) e talvolta anche a livello 2 (Data Link Control) Si faccia attenzione al linguaggio colloquiale in cui spesso si tende ad usare i diversi termini in modo non corretto,... ingenerando notevole confusione Frequenti (grossolani) errori Uso dei termini routing e forwarding come sinonimi Funzione di routing associata esclusivamente al livello 3 Una classificazione Algoritmi di Routing Routing Statico (o Non Adattativo) Routing Dinamico (o Adattativo) R. S. con instradamento fissato R. S. con instradamento suddiviso R. S. con instradamento a diffusione R. D. Centralizzato R. D. Isolato R. D. Distribuito Capitolo VIII 7-8/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,

5 Le 2 macrofamiglie Algoritmi di routing statici (o non-adattativi) I percorsi Pij sono fissi e predeterminati e non cambiano al variare dello stato della rete (variazione della topologia,... ) Il criterio di scelta del percorso può essere qualunque e viene scelto in fase di configurazione della rete Per esempio il routing non è in grado di ricalcolare un Pij alternativo in conseguenza della variazione del grafo della rete dovuta ad una caduta di un link e/o di un nodo Algoritmi di routing dinamici (o adattativi) I percorsi Pij non sono fissi e predeterminati ed in generale cambiano al variare dello stato della rete Non sono deterministici in quanto non portano sempre allo stesso risultato (il risultato dipende appunto dallo stato della rete) I criteri di scelta dei percorsi Quali sono i criteri secondo i quali gli algoritmi di routing scelgono un certo percorso? Routing statico: qualunque criterio (a discrezione di chi ha configurato la rete) Routing dinamico: il criterio più comunemente utilizzato é quello del "percorso più corto" (in inglese "shortest path routing") Ad ogni connessione esistente tra ogni coppia di nodi adiacenti viene associata una lunghezza L i > 0 Viene scelto il percorso P A-B che minimizza L A-B = Σ L i L'unità di misura (detta "metrica") per le lunghezze L i può essere di vario tipo Banale: "salti" (o "hop") quindi: L i = 1 Sofisticata, funzione delle capacità del link, ecc... : L i = f (Clink,... ) Capitolo VIII 9-10/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,

6 I criteri di scelta dei percorsi Negli algoritmi più sofisticati L i non é costante ed è crescente al crescere dell'utilizzo ρ dei link L i = f (ρ link,... ) Questo interessante sistema di controllo del routing tuttavia presenta una retroazione (vedasi schema riportato sotto), cosa che può portare ad un insidioso fenomeno, spesso molto deleterio, noto come oscillazioni di instradamento Utilizzo dei link (ρ link,... ) Topologia della rete Algoritmo di routing Percorsi scelti Routing statico con instradamento fissato Detto anche fixed directory routing Dati due nodi di rete X e Y, viene sempre scelto lo stesso Pxy Vantaggi Semplicità di implementazione Svantaggi Un guasto di rete di norma comporta la riconfigurazione manuale Complessità di configurazione in presenza di reti di una certa dimensione Capitolo VIII 11-12/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,

7 Routing statico con instradamento suddiviso Si tratta di una variante (detta anche quasi-statica) degli algoritmi di tipo precedente Dati due nodi di rete X e Y, si definiscono staticamente m percorsi Pxy tra loro diversi Il traffico viene distribuito sugli m percorsi (per esempio sulla base di percentuali prefissate) Vantaggi Possibilità di backup 'automatico' di alcuni percorsi Svantaggi Complessità di implementazione Complessità di configurazione in presenza di reti di una certa dimensione Routing statico con instradamento a diffusione Detto anche "flooding", utilizzato per raggiungere elevati gradi di affidabilità (reti militari) Regola Ogni nodo della rete ritrasmette un pacchetto su tutte le interfacce, eccetto su quella dal quale il pacchetto é stato ricevuto Per evitare situazioni di loop, sostanzialmente vi sono 2 possibili strategie La header del protocollo in questione prevede un campo che viene decrementato al passaggio da ogni nodo intermedio; se raggiunge '0' il pacchetto viene scartato I nodi memorizzano l'identità dei messaggi che sono transitati, evitando di ritrasmetterli una seconda volta (tecnica pochissimo utilizzata poichè troppo complessa) Vantaggi: grande affidabilità Svantaggi: elevatissimo traffico di rete Capitolo VIII 13-14/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,

8 Routing dinamico centralizzato Esiste un nodo particolare che, attraverso lo scambio di messaggi di servizio con gli altri nodi, possiede la descrizione continuamente aggiornata dello stato dell'intera rete Su tale nodo vi è in esecuzione un processo che calcola secondo un dato criterio (p. es. il criterio del "percorso più corto", ecc... ) i Pxy per ogni nodo X e Y della rete, distribuendo i risultati agli altri nodi (se necessario al funzionamento della tecnica di forwarding) Una variazione dello stato della rete determina il ricalcolo dei Pxy L'aggettivo "centralizzato" sta ad indicare che si tratta di un sistema di elaborazione di tipo cetntralizzato (= 1 solo processo) Vantaggi: si possono applicare algoritmi sofisticati per il calcolo degli instradamenti Svantaggi: elevato traffico di servizio sulla rete Tecnica poco utilizzata sulle reti a commutazione di pacchetto Routing dinamico isolato Non esiste un vero e proprio calcolo del percorso complessivo Ogni nodo effettua localmente un semplice calcolo senza alcuno scambio di informazione di instradamento con gli altri nodi Algoritmo distribuito di tipo particolare: nessuna cooperazione tra i processi distribuiti che eseguono l'algoritmo Questa classe di algoritmi di routing permette solo una memorizzazione distribuita del percorso così calcolato (non essendo previsto uno scambio di informazioni di instradamento tra i nodi) Capitolo VIII 15-16/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,

9 Routing dinamico isolato Esempi di routing dinamico isolato sono gli algoritmi descritti qui sotto Hot potato Il pacchetto da instradare viene trasmesso sul link avente la coda più corta Backward learning Un nodo acquisisce una conoscenza indiretta della rete analizzando il traffico dati ricevuto dalle porte di comunicazione del nodo stesso Se un pacchetto spedito da un nodo A (dovunque dislocato nella rete) viene ricevuto da un nodo K attraverso la sua porta di comunicazione Ifx, allora K, attraverso Ifx, riesce a raggiungere A (a condizione che il servizio di comunicazione offerto dal livello sottostante a quello in esame non sia di tipo simplex) Routing dinamico distribuito Su ogni nodo vi è in esecuzione un processo che, scambiando informazioni con i processi sugli altri nodi, calcola (secondo un dato criterio) gli instradamenti L'aggettivo "distribuito" sta ad indicare che si tratta di un sistema di elaborazione di tipo distribuito (= m processi tra loro cooperanti) Nel caso il criterio di scelta del percorso sia "il percorso più corto", questo tipo di routing, per esempio, viene effettuato utilizzando la versione 'distribuita' di alcuni algoritmi di ricerca di un percorso minimo su un grafo Algoritmi molto utilizzati nei casi reali Algoritmo di Bellman-Ford Algoritmo di Dijkstra Capitolo VIII 17-18/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,

10 Una volta identificato il cammino (di livello k) da seguire per giungere all'entità destinataria, é necessario procedere all'inoltro delle k-pdu su quel percorso Questa operazione (detta commutazione o forwarding) coinvolge tutti i nodi del cammino, eccetto il destinatario 3 fondamentali tipi di tecniche di forwarding Source-route forwarding Destination-based forwarding Label-based forwarding La tecnica "Source route forwarding" L'entità mittente deve inserire in ogni k-pdu inviata tutte le informazioni che specificano completamente il percorso verso l'entità destinataria Data M Route_Info: D D Capitolo VIII 19-20/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,

11 La tecnica "Source" route forwarding" Condizioni di base per l'applicabilità di questa tecnica L'algoritmo di routing (che identifica il percorso da seguire) deve memorizzare il risultato del calcolo sul nodo ove é presente l'entità mittente Le k-pdu del protocollo di livello k che effettua questa operazione di inoltro (di norma n=3, ma talvolta può essere n=2) devono prevedere nelle proprie header un campo opportuno per la memorizzazione del percorso (Routing_Info) L'indirizzo 'D', nonché gli indirizzi delle entità intermedie sul percorso, devono essere univoci nella rete (in alcune condizioni particolari si può allentare questo vincolo) Alcune considerazioni I nodi intermedi devono fare ben poco (riconoscersi nelle Routing_Info delle k-pdu in arrivo e spedirle verso il prossimo nodo della lista); molto lavoro é a carico del nodo su cui é presente l'entità mittente La tecnica "Destination-based" forwarding" L'entità mittente inserisce in ogni k-pdu inviata solo l'indirizzo globale (e univoco) 'D' dell'entità destinataria. I nodi intermedi commutano sulla base di 'D' e delle informazioni contenute nella tabella di instradamento Data D M Destination: D D D D D D D D Capitolo VIII 21-22/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,

12 La tecnica "Destination-based" forwarding" Condizioni di base per l'applicabilità di questa tecnica L'algoritmo di routing (che identifica il percorso da seguire) deve memorizzare il risultato del calcolo in forma distribuita sui nodi nel percorso Su tutti i nodi (eccetto sul destinatario) é richiesta la presenza di una struttura dati che solitamente prende il nome di tabella di instradamento o routing table Nelle routing table viene memorizzato il cammino da seguire Di norma l'insieme delle routing table é organizzato nella forma di database distribuito Una singola routing table non memorizza interi percorsi, bensì solo una porzione (sfruttando il fatto di essere parte di una struttura dati distribuita) Sono sufficienti 2 informazioni: Destination - Next_Hop La tecnica "Label-based" forwarding" Ogni k-pdu viene etichettata con una label significativa solo per il prossimo nodo. Ogni nodo, sulla base della label in ingresso e delle informazioni contenute nella tabella delle label, determina il prossimo nodo e la prossima label Data Dst: 'D' Label = α D 4 α..... M Label = α α 7 δ Label = δ Label = ρ 7 δ 6 ρ..... Label = δ 10 δ 8 τ..... Label = τ 2 5 ρ 10 δ τ D D Capitolo VIII 23-24/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,

13 La tecnica "Label-based" forwarding" Condizioni di base per l'applicabilità di questa tecnica L'algoritmo di routing (che identifica il percorso da seguire) deve memorizzare il risultato del calcolo in forma distribuita sui nodi nel percorso Su tutti i nodi (eccetto sul destinatario) é richiesta la presenza di una struttura dati che solitamente prende il nome di tabella delle label Nelle tabelle delle label viene memorizzato il cammino da seguire Come nel caso delle routing table, una tabella delle label non memorizza l'intero percorso, ma sfrutta il fatto di essere parte di una struttura distribuita Sono sufficienti 3 informazioni: Label_In - Next_Hop - Label_Out Le label devono essere univoche solo per il nodo che le riceve (=> nessun vincolo di univocità a livello globale): questo richiede un label-swapping sui nodi Capitolo VIII 25-26/25 Copyright Ing. G. F. Rossi,