Instradamento (Routing) Tecniche di Routing. Routing Statico. Routing in Reti a Commutazione di Circuito

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1 I semestre / Tecniche di Routing Prof. Vincenzo Auletta auletta@dia.unisa.it Instradamento (Routing) Problema fondamentale di tutte le reti a commutazione (e delle interreti) Si deve individuare un percorso tra la sorgente e la destinazione la rete deve gestire più percorsi contemporaneamente Le condizioni della rete cambiano continuamente Università degli studi di Salerno Laurea in Informatica Routing in Reti a Commutazione di Circuito Routing Statico In grosse reti a commutazione i circuiti attraversano più commutatori All inizio della comunicazione si deve trovare un percorso (rotta) nella rete che sarà utilizzato per trasferire i dati Le strategie di instradamento devono essere efficienti: fornire percorsi che attraversano pochi commutatori robuste: fornire percorsi alternativi in caso di guasti o picchi di traffico In genere si sceglie un compromesso tra efficienza e robustezza I commutatori formano una struttura albero per realizzare un percorso si risale dalla sorgente al primo antenato comune e si ridiscende al destinatario Per incrementare la robustezza si possono aggiungere linee dirette che tagliano la struttura ad albero collegano direttamente nodi caratterizzati da alti volumi di traffico Es. collegamento diretto tra Roma e Milano Approccio molto semplice ma carente sia dal punto di vista dell efficienza che della robustezza

2 Routing Dinamico Esempio di Routing Alternato La scelta della rotta è influenzata dalle condizioni di traffico sulla rete si evita di attraversare linee e nodi già congestionati L instradamento è molto più complesso ma consente maggiore flessibilità Il routing alternato è un esempio molto diffuso di routing dinamico per ogni coppia di stazioni sono fissate una lista di possibili percorsi, in ordine di preferenza in funzione dello stato della rete viene scelto un percorso della lista insieme di percorsi tra nodi X ed Y rotta a: X Y rotta b: X J Y rotta c: X K Y rotta d: X I Y X K I J Y la lista può variare nel tempo Routing in Reti a Commutazione di Pacchetto Indici di Prestazioni La rete deve trovare un percorso per consegnare i pacchetti alla destinazione deve scegliere tra le varie alternative operazione critica in una rete a commutazione di pacchetto ma molto complessa da ottimizzare Il routing deve essere Robusto: funzionare anche se ci sono dei guasti Stabile: reagire in modo opportuno a congestioni Efficiente: far giungere i pacchetti a destinazione quanto prima possibile Equo: trattare tutti i pacchetti i modo equo Vantaggioso: il costo del lavoro dei nodi per il routing non deve superare i vantaggi che ne derivano 7 La scelta del percorso su cui instradare un pacchetto dipende da un indice di prestazione metrica che assegna ad ogni percorso un costo il problema diventa trovare un cammino di costo minimo in un grafo diretto pesato Algoritmi di Dijkstra e BellmanFord Principali indici di prestazioni numero di hop sceglie il percorso che attraversa meno nodi costo minimo il costo può essere il ritardo di propagazione, la somma dei tempi di trasmissione nei nodi, il tasso di trasmissione, l affidabilità del percorso

3 8 Esempio di Calcolo delle Rotte percorso minimo da a percorsi minimi da a tutti gli altri nodi costruisce uno spanning tree di cammini minimi con radice Decisioni di Routing Le tecniche di routing dipendono da dove e quando vengono prese le decisioni Quando (in funzione del funzionamento interno) per i circuiti virtuali la decisione viene presa al momento della creazione del circuito la rete può modificare tale decisione per i datagram la decisione è presa per ogni pacchetto trasmesso Dove centralizzato: un centro di controllo decide tutto distribuito: ogni nodo decide come instradare i pacchetti ricevuti da sorgente: la sorgente sceglie il percorso che il pacchetto deve seguire Sorgenti di Informazione Strategie di Routing Le decisioni di routing sono prese sulla base di informazioni sullo stato della rete topologia, costi delle linee, carico le informazioni possono essere locali o globali un nodo utilizza informazioni sulle lunghezze delle sue code o della congestione sulle sue linee i nodi possono scambiarsi informazioni alcuni algoritmi di routing molto semplici non utilizzano nessuna informazione routing fisso flooding Routing casuale Routing adattivo strategie simili sono usate per il routing in una internet

4 Routing Fisso per ogni coppia di nodi determina un percorso percorso a costo minimo che rimane fisso fino a quando non cambia la topologia della rete La scelta del percorso è fatta a priori non può basarsi su variabili dinamiche quali il traffico ogni nodo deve conoscere soltanto il prossimo hop per ogni possibile destinazione simile ai cammini minimi calcolati da algoritmo di Dijkstra ogni nodo costruisce la propria tabella di instradamento a partire da una matrice globale Esempio di Routing Fisso tabella di routing centrale percorso da a tabella nodo tabella nodo tabella nodo Flooding Proprietà del Flooding La sorgente invia una copia del pacchetto ad ogni nodo collegato un nodo che riceve un pacchetto su un collegamento lo rispedisce su tutti gli altri Le decisioni di routing non richiedono informazioni sulla rete Il pacchetto è inviato su tutti i percorsi esistenti nella rete indipendentemente dai guasti sulla rete, se c è un percorso tra sorgente e destinazione il pacchetto arriva usato per inviare messaggi di emergenza Almeno una copia attraversa il percorso minimo utile per scoprire il percorso da assegnare ad un circuito virtuale Tutti i nodi della rete ricevono il pacchetto usato per distribuire informazioni importanti a tutti i nodi (tabelle di istradamento)

5 Problemi del Flooding Esempio di Flooding La destinazione può ricevere più copie dello stesso pacchetto si assegna un identificativo al pacchetto per scartare le copie i pacchetti potrebbero essere spediti all infinito anche dopo che hanno raggiunto la destinazione si assegna ad ogni nodo un contatore di hop ogni nodo che instrada il pacchetto decrementa il contatore quando il contatore diventa il pacchetto viene buttato Anche con questi accorgimenti il traffico generato dal flooding è molto elevato 7 il nodo invia un pacchetto per a tutti i vicini il pacchetto raggiunge gli altri nodi continuano a inviare copie i nodi, e reinstradano il pacchetto Routing Casuale Routing Adattivo 8 ogni nodo invia il pacchetto ad un nodo vicino scelto a caso (escluso il nodo di provenienza) Le probabilità potrebbero essere basate sulle velocità dei collegamenti preferenza per i collegamenti più veloci molto semplice da implementare simile al flooding perché non utilizza informazioni sulla rete genera molto meno traffico il pacchetto segue un percorso non minimale potrebbe anche perdersi nella rete Le decisioni di routing dipendono dalle condizioni della rete guasti, congestione Decisioni di routing complesse che impongono un carico di elaborazione sui nodi I nodi devono scambiarsi informazioni sullo stato della rete lo scambio di informazioni può sovraccaricare la rete L adattamento può creare problemi se è Troppo veloce: crea oscillazioni Troppo lento: è inefficiente

6 Vantaggi del Routing Adattivo Migliora le prestazioni dal punto di vista dell utente consente un maggior controllo della congestione problema fondamentale nelle reti moderne Per ottenere questi benefici occorre progettare buoni algoritmi di routing adattivo algoritmi sono molto complessi e la loro vera valutazione avviene solo sul campo Il problema del routing è attualmente oggetto di ricerca Un Algoritmo di Routing Adattivo Instrada un pacchetto verso la linea di uscita con la coda minore bilancia il carico in uscita la scelta della direzione è indipendente dalla destinazione e potrebbe essere poco conveniente Si possono usare dei valori di predisposizione seleziona le linee preferite si sceglie una direzione diversa solo se la sua coda è molto più corta Sceglie il nodo che minimizza Q i + B i Q i = lunghezza coda i B i = valore di predisposizione del collegamento i Esempio di Routing Adattivo Aggiornamento delle Informazioni Il nodo riceve un pacchetto per il nodo Valore dei B i e Q i B =, Q = B =, Q = B =, Q = B =, Q = Pacchetto instradato sul nodo B + Q = In genere gli algoritmi di routing adattivo utilizzano informazioni ricevute da altri nodi scambio tra nodi vicini è possibile scambiare informazioni anche tra nodi distanti problemi di ritardo degli aggiornamenti e consistenza delle informazioni La frequenza di aggiornamento delle informazioni è critica informazioni aggiornate con alta frequenza permettono decisioni di routing migliori ma impongono un carico maggiore sulla rete serve un compromesso

7 Algoritmo di Routing Distance Vector Esempio Distanza Next hop Utilizzato nella rete ARPANET predecessore di Internet basato su algoritmo di BellmanFord Ogni nodo ha un vettore della distanze che specifica la distanza minima verso ogni altro router il nodo spedisce periodicamente le sue informazioni a tutti i suoi vicini che possono aggiornare i loro vettori Destinazione Nodo Esempio Esempio Ogni nodo calcola la distanza (il ritardo sul canale) verso i nodi adiacenti Distanza Destinazione Next hop Ogni nodo riceve periodicamente informazioni dai vicini ed aggiorna le distanze Distanza Distanza Destinazione Next hop Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo Nodo 7 Nodo Dal Nodo Dal Nodo Dal Nodo nuova tabella Nodo

8 Problemi dell Algoritmo Distance Vector Nuove Versioni 8 L algoritmo converge molto lentamente passa molto tempo dal momento in cui un nodo cambia le sue informazioni al momento in ci tutti sono informati ed i percorsi adattati i nuovi percorsi potrebbero già essere obsoleti Esempio A B C Collegamento BC si rompe B deve buttare le rotte che passano per C Siccome A dice che può raggiungere C in hop B conclude che può raggiungere C in hop Analogamente A, ricevendo un nuovo vettore da B, pensa che può raggiungere C in hop I successori dell algoritmo originale hanno cercato di risolvere le pecche dell algoritmo originale Considerare anche i tassi di trasmissione Rendere la convergenza dell algoritmo più veloce Non sovraccaricare le linee di comunicazione Congestione Effetti della Congestione Eccesso di traffico nella rete Si verifica quando il tasso di immissione dei pacchetti nella rete è superiore al tasso di consegna La rete come sistema di code Le code si allungano Il rallentamento di una coda si ripercuote sulle altre code Effetti della congestione Ritardi crescenti nella trasmissione di un pacchetto Perdita di pacchetti Saturazione della memoria di un nodo Throughput = numero di pacchetti spediti

9 Controllo della Congestione Esistono diverse tecniche per controllare il fenomeno della congestione Utilizzate prima che il sistema si blocchi Backpressure Un nodo si rifiuta di accettare pacchetti dal vicino Il blocco di un nodo si riflette in un rallentamento degli altri nodi Usato da X Choke Packet Un nodo congestionato invia un pacchetto di controllo per avvisare le sorgenti di rallentare Usato da ICMP Controllo della Congestione Segnalazione implicita La sorgente si accorge della congestione Aumento del ritardo di trasmissione Perdita di pacchetti (scade il timeout) La sorgente automaticamente diminuisce il suo tasso di trasmissione Usata da TCP Segnalazione esplicita Un nodo congestionato inserisce informazioni sulla congestione negli header dei pacchetti che instrada Le informazioni possono essere dirette alla sorgente (inserite nel pacchetto di ACK) o alla destinazione Usata da ATM Gestione del Traffico Risoluzione della Congestione e Routing Un nodo congestionato deve scartare dei pacchetti La scelta dei pacchetti da scartare è legata alla gestione del traffico Non tutti i pacchetti sono uguali Bisogna garantire Equità Tutte le connessioni devono risentire della congestione allo stesso modo Qualità del Servizio Se un utente ha pagato per un certo livello di servizio bisogna garantirglielo Rispetto delle prenotazioni Se un utente ha pagato per prenotare l utilizzo di una parte delle risorse bisogna rispettare il contratto Il routing adattivo può essere utilizzato per risolvere situazioni di congestione I nodi si scambiano informazioni sui ritardi di trasmissione L algoritmo di routing sceglie il percorso meno congestionato L algoritmo deve garantire velocità di adattamento stabilità