R. Cusani - F. Cuomo, Telecomunicazioni - Network layer: Routing in IP, Maggio 2010

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1 9: Network layer: protocolli di routing in IP Routing in TCP/IP Una rete TCP/IP (come Internet) è costituita da un insieme di Autonomous Systems (ASs) interconnessi Ogni AS adotta un algoritmo di routing indipendente da quello adottato negli altri AS Gli algoritmi di routing degli AS sono indicati generalmente col nome di IGP (Interior Gateway Protocol) La comunicazione tra gli AS è governata da un algoritmo di routing differente, indipendente dai protocolli IGP utilizzati internamente, indicato con il nome generico di EGP (Exterior Gateway Protocol)

2 Fondamenti dell instradamento in IP Ogni datagramma IP attraversa un cammino composto da routers e da sotto-reti Quando un router consegna un datagramma ad una sotto-rete questo diventa l unità di dati di servizio propria di questa sottorete La rete individuale consegna tale unità dati al prossimo router o a destinazione (se la destinazione è all'interno della rete stessa) con le stesse modalità con cui tratta le unità dati ad essa "appartenenti" Valore nell intestazione del pacchetto in arrivo Algoritmo d instradamento Tabella di inoltro locale Valore d intestazione Collegamento d uscita Fondamenti dell instradamento in IP (cont.) INTERNET host mittente Net_id Data sub-rete A (X) PCI pacchet. PCI trama Net_id Data router X Net_id Data sub-rete B (?) PCI? Net_id Data router Y Net_id Data LAN Bridge LLC MAC Net_id Data LAN host destinatario Net_id Data

3 Instradamento diretto L'instradamento in Internet può essere diviso in due classi: diretto e indiretto L instradamento diretto è possibile solo se l host mittente e l host destinatario sono connessi alla stessa sub-rete fisica (ed omogenea). Lo scambio di datagrammi tra hosts connessi alla stessa rete non coinvolge i routers e, previa un operazione di traduzione di indirizzi ed incapsulamento, la risultante unità dati viene inviata direttamente a destinazione. L'instradamento all'interno delle sub-reti può essere qualunque e non significativo globalmente. Utilizza i meccanismi propri della rete in questione per inviare il datagramma. Instradamento indiretto 6 L instradamento indiretto si applica quando l host destinatario è connesso ad una sub-rete diversa da quella relativa all host mittente Il mittente deve identificare un router a cui inviare il datagramma; il router deve inviare il datagramma verso la rete di destinazione. Il mittente invia il datagramma al router più vicino utilizzando la sotto-rete fisica a cui è connesso. Il router esamina il datagramma ricevuto e decide verso quale altro router indirizzarlo. Il processo si ripete di router in router finché si arriva alla rete di destinazione; qui tramite un indirizzamento diretto il datagramma viene inviato allo specifico host di destinazione I routers formano una struttura inter-connessa e cooperativa I datagrammi passano di router in router finché ne raggiungono uno che può consegnare il datagramma direttamente (cioè tramite un indirizzamento diretto)

4 Tabelle di instradamento 7 Il meccanismo per l instradamento in IP è basato su una tabella che ogni host o router mantiene allo scopo di conoscere le possibili destinazioni e le modalità per raggiungerle. Una tabella di instradamento contiene delle coppie (R,I) dove R è l indirizzo della rete di destinazione e I è l indirizzo del prossimo router lungo la strada che porta alla rete di destinazione. La tabella di instradamento specifica quindi solo un passo lungo il cammino verso la destinazione; un router non conosce quindi il cammino completo che il datagramma dovrà compiere Tabelle di instradamento Rete... Rete Rete R... R... R Rete Tabella di instradamento di R Per raggiungere hosts indirizzati alla rete: Indirizzare i datagrammi verso questa strada (o router):... inoltrare direttamente... inoltrare direttamente

5 Tabelle di instradamento (cont.) 9 le tabelle contengono solo informazioni sulle reti di destinazione e non sui singoli nodi, al fine di: nascondere il più possibile i dettagli inerenti la rete mantenere piccole le tabelle di instradamento consentire un instradamento efficiente Se un router non trova una strada nella sua tabella allora indirizza i suoi datagrammi verso un router di default (generalmente una macchina più potente, destinata principalmente ad operazioni di instradamento) Router di default Il meccanismo del router di default è usato: da piccoli hosts, che possono anche non avere per nulla una tabella, ed inviare tutti i datagrammi non diretti alla rete cui sono collegati al router di default da routers o hosts con una tabella di discrete dimensioni ma che tuttavia non copre tutte le possibili destinazioni; quando arriva un datagramma destinato ad una destinazione non contemplata dalla tabella, essi si rivolgono ad un router di default. nelle reti stub

6 Aggregazione delle rotte L indirizzamento gerarchico permette di pubblicizzare efficientemente le informazioni di routing: Organizzazione..6./ Organizzazione..8./ Organizzazione.../ Organizzazione..../.. Piscali-ISP Manda a me qualunque pacchetto il cui indirizzo inizia con..6./ Internet ISP-Pippo Manda a me qualunque pacchetto il cui indirizzo inizia con 99.../6 Rotte specifiche ISP-Pippo annuncia una rotta specifica per l organizzazione Organization..6./ Organization.../. Organization 7.../. Piscali-ISP Manda a me qualunque pacchetto il cui indirizzo inizia con..6./ Internet Organization..8./ ISP-Pippo Manda a me qualunque pacchetto il cui indirizzo inizia con 99.../6 o..8./ 6

7 Sistemi autonomi interconnessi Ciascun sistema autonomo sa come inoltrare pacchetti lungo il percorso ottimo verso qualsiasi destinazione interna al gruppo c a b AS AS e AS hanno tre router ciascuno I protocolli d instradamento dei tre sistemi AS non sono necessariamente gli stessi I router b, c, a e a sono gateway Ogni AS deve affidare in modo specifico ad uno o più dei suoi routers il compito di informare il mondo esterno della sua topologia a c d Algoritmo d instradamento (intra-as) Tabella d inoltro a b Algoritmo d instradamento (inter-as) c b AS AS Interior e Exterior Gateway Protocols R SubNet. R EGP EG SubNet. R6 SubNet. R7 SubNet. SubNet. R SubNet. R R EG EGP AS R8 SubNet. SubNet. AS IGP 7

8 Protocolli IGP: RIP Il primo protocollo di routing interno utilizzato in Internet è il RIP (Routing Information Protocol), ereditato da Arpanet RIP è un protocollo basato sull algoritmo distance vector Metrica basata sul numero di hop, con infinito a costo Tabelle di routing scambiate ogni s, con timeout a 8s Utiliza UDP (protocollo di trasporto) per scambiare i messaggi è un protocollo di livello che usa un protocollo di livello! Adatto a reti di dimensioni limitate, ha iniziato a mostrare i suoi limiti già alla fine degli anni 7 Attualmente ancora utilizzato come protocollo di routing in piccole reti private RIP 6 E richiesto che ogni nodo scambi informazioni con i nodi adiacenti due nodi sono adiacenti se sono direttamente connessi mediante la stessa rete E molto semplice, tuttavia: la convergenza è lenta lo stato di equilibrio può essere un sub-ottimo Applica l algoritmo di Bellman-Ford distribuito Ogni nodo x mantiene al suo interno tre vettori: w(x,) W x = M w(x,m) Vettore dei costi dei rami uscenti dal nodo L(x,) L x = M L(x,N) Vettore delle distanze minime verso le altre reti R(x,) R x = M R(x,N) Vettore dei router next hop verso le altre reti 8

9 RIP 7 Periodicamente (circa ogni s) i router adiacenti si scambiano i vettori L un router conosce quindi l ultima versione dei vettori L inviata dai router adiacenti Un nodo x aggiorna i suoi vettori nel seguente modo L(x,n) = min w(x,n xy) + L(y,n) y M R(x,n) = y M : insieme dei nodi adiacenti al nodo x Nxy : sotto-rete che interconnette i nodi x e y RIP: esempio 8 w x y A D B z C Sottorete destin. Router successivo Numero di hop verso la dest. w A y B z B 7 x Tabella d instradamento nel router D 9

10 RIP: esempio 9 Dest Next hop Notifica dal w - router A. x - z C.... w x y A D B z C Sottorete destin. Router successivo Numero di hop verso la dest. w A y B z B A 7 x Tabella d instradamento nel router D Messaggi RIP Un messaggio RIP è incapsulato in una unità dati UDP Pacchetto Response ( annuncio RIP o RIP advertisement ). è emesso per inviare tutta o una parte della distance vector table è emesso ogni secondi in risposta ad un pacchetto Request quando la routing table cambia (Triggered updates) Pacchetto Request è emesso da un router per chiedere ad un nodo vicino l invio della distance vector table o di una parte di essa Il formato massimo di un messaggio RIP è di byte massimo blocchi per messaggio in caso di un numero maggiore di indirizzi da aggiornare si utilizzano messaggi RIP multipli

11 Protocolli IGP: OSPF Nel 979 il routing di Internet è migrato verso un protocollo di tipo link state ciascun router utilizza il flooding per propagare lo stato delle sue connessioni agli altri router della rete ciascun router conosce la topologia completa della rete Alla fine del 988 ne è stato sviluppato un successore, chiamato OSPF (Open Short Path First), definito nell RFC 8 OSPF è oggi il più diffuso protocollo IGP utilizzato in Internet Caratteristiche di OSPF OSPF è stato progettato cercando di soddisfare diversi requisiti nessun vincolo di brevetto (O = Open) supporto di diverse metriche per la distanza (distanza fisica, hop, ritardo, costo della linea, ) reazione dinamica e rapida a modifiche di topologia (link state) instradamento basato sul tipo di servizio (sfruttando i campi esistenti nell header di IP, ad esempio); questo è stato incluso in OSPF, ma implementazioni ed applicativi per molto tempo lo hanno ignorato capacità di bilanciare il carico su diversi cammini supporto per sistemi gerarchici (quindi routing gerarchico anche all interno dello stesso AS) suddividendo l AS in aree implementazione di sicurezza supporto per il tunneling

12 OSPF I router hanno la responsabilità di contattare i router adiacenti e di acquisire la loro identità (pacchetti Hello); formano i Link State Advertisement (LSA) che contengono una lista delle reti adiacenti con i relativi costi di raggiungimento gli LSA sono trasmessi a tutti gli altri router. Tutti i router della rete hanno lo stesso insieme di dati e quindi possono costruire lo stesso grafo pesato della rete; il grafo di rete è utilizzato per determinare i cammini ottimi. OSPF Gli LSP sono emessi quando un router contatta un nuovo router vicino quando un ramo si guasta quando il costo di un ramo varia periodicamente ogni fissato intervallo di tempo La rete trasporta gli LSA mediante la modalità a inondazione (flooding) un LSA è rilanciato da un router su tutte le sue interfacce tranne quella da cui è stato ricevuto gli LSA trasportano dei riferimenti temporali (time stamp) o numeri di sequenza per evitare il rilancio di pacchetti già rilanciati consentire un corretto riscontro dal ricevente

13 OSPF La modalità a inondazione ha i seguenti vantaggi esplora tutti i possibili cammini tra origine e destinazione è estremamente affidabile e robusta Il traffico generato dipende dalle dimensioni della rete e può essere molto elevato Caratteristiche di OSPF: Sicurezza: gli scambi tra router sono autenticati. Multipath: quando più percorsi verso una destinazione hanno lo stesso costo, OSPF consente di usarli senza doverne scegliere uno, come invece avveniva in RIP Più metriche di costo per differenti TOS Supporto integrato per l instradamento unicast e multicast. Supporto alle gerarchie in un dominio d instradamento. OSPF: topologia della rete 6 Ogni router mantiene un database che riflette i dati aggiornati sulla topologia della rete (Link state database o Database topologico) La topologia di rete è rappresentata come un grafo orientato I nodi rappresentano router Network reti di transito: non contengono host (sorgenti e/o destinazioni) reti stub: reti non di transito I rami rappresentano collegamenti diretti tra nodi di tipo router collegamenti tra nodi di tipo router e nodi di tipo network

14 OSPF: topologia della rete 7 Rete N R N N N N R R 7 6 N R R 8 6 R6 6 N 6 N 7 R7 N 9 N R N6 R9 R N8 R8 N9 N7 H R N 8 N N H R N R 8 R 8 R R R6 6 6 N R7 N 7 R9 R N6 N9 R8 R N8 N N7 R Grafo OSPF: costruzione del grafo 8 Nel grafo rappresentativo della rete: due router collegati da una linea punto-punto sono connessi da due rami orientati (uno per ogni verso) più router connessi alla stessa rete sono rappresentati da nodi (router node) connessi ciascuno da due rami orientati (uno per ogni verso) al nodo rappresentativo della rete (network node) una rete connessa ad un singolo router è rappresentata da un nodo di tipo stub un host direttamente connesso ad un router è rappresentato con un ramo sistemi autonomi esterni sono rappresentati da nodi stub ed il costo dei rami è determinato dal protocollo EGP

15 Spanning tree e tabelle di routing 9 Ogni router calcola lo spanning tree a partire dal grafo rappresentativo della rete mediante l algoritmo di Dijkstra Spanning Tree e Routing Table in R6 Destin. N. H. Dist. N R N R N R 7 N R 8 R R 7 N6 R 8 N7 R N8 R N9 R Destin. N.H. Dist. N R N R H R R R 6 R7 R 8 N R N R N R N R 7 N N H N R9 N9 R R R R N R N 6 R N R 7 N8 6 8 R6 N 8 R N 8 R7 R8 N7 N N 9 N6 N Esempio di costruzione del grafo Topologia di Rete Grafo R N N 9.8../ / R R N N / N 9.8../ / R N R N R N R N N R

16 Esempio: costruzione spanning tree Grafo N RN NR N N R N Lista candidati R N N N R N R N R N N R R N Spanning Tree N R N R Esempio: costruzione della tabella di instradamento Spanning tree Routing table eth R eth Network Next-Hop Router Interfaccia Costo N N N diretto eth N diretto eth R R N R eth N R eth 7 N N N N R eth 9 R 6

17 Esempio OSPF Routing Table A B C A Distanza Link local D 6 E Database Topologico (link bidirezionali) Da A link A B A D B C B E D E 6 E C Dist B C D E Distanza Link local Distanza Link local Distanza Link 6 local 6 Distanza Link 6 local Esempio: guasto di un ramo Guasto del ramo AB A xxxx B C D 6 E A B C D E Routing Table Distanza inf inf inf Link local Distanza inf inf Link local Distanza Link local Distanza Link 6 local 6 Distanza Link 6 local 7

18 Esempio: guasto di un ramo A xxxx B C D 6 E A Routing Table Distanza Link local A Link Metric Inf B Link Metric Inf B Distanza Link local Database Topologico Da A link A B A D B C B E D E 6 E C Dist Inf C D E Distanza Link local Distanza Link 6 6 local 6 Distanza Link 6 6 local OSPF strutturato gerarchicamente 6 Gerarchia su due livelli: area locale, dorsale. Messaggio di link-state solo all interno dell area Ciascun nodo ha una sua area; conosce solo la direzione (shortest path) verso le reti nelle altre aree Router di confine d area: appartengono sia a un area generica sia alla dorsale Router di dorsale: effettuano l instradamento all interno della dorsale, ma non sono router di confine. Router di confine: scambiano informazioni con i router di altri sistemi autonomi. 8

19 Instradamento tra sistemi autonomi 7 Supponiamo che un router in AS riceva un datagramma la cui destinazione ricade al di fuori di AS Il router dovrebbe inoltrare il pacchetto verso uno dei due gateway. Ma quale?? AS deve: Sapere quali destinazioni sono raggiungibili attraverso AS e quali attraverso AS Informare tutti i router all interno del sistema in modo che ciascuno possa configurare la propria tabella d inoltro per gestire destinazioni esterne instradamento inter-as! b c AS a a c d b AS a c AS b Esempio: tabella d inoltro nel router d 8 Supponiamo che AS apprenda dal proprio protocollo d instradamento inter-as che la sottorete x è raggiungibile da AS (gateway c), ma non da AS. Il protocollo inter-as propaga questa informazione a tutti i propri router. Il router d determina, partendo dall informazione fornita dal protocollo intra- AS, l interfaccia I del router sul percorso a costo minimo dal router d al gateway c. Il router d può inserire la riga (x,i) nella propria tabella d inoltro. b c a AS a c d b AS a c b AS 9

20 Esempio: scegliere fra più AS 9 Supponiamo inoltre che AS apprenda dal protocollo d instradamento tra sistemi autonomi che la sottorete x è raggiungibile da AS e da AS. Al fine di configurare la propria tabella d inoltro, il router D dovrebbe determinare a quale gateway, b o c, indirizzare i pacchetti destinati alla sottorete x. Anche questo compito spetta al protocollo d instradamento inter-as! Instradamento a patata bollente: il sistema autonomo si sbarazza del pacchetto (patata bollente) non appena possibile. Dal protocollo inter-as si apprende che la sottorete x è raggiungibile attraverso più gateway. Si usa l informazione d instradamento proveniente dal protocollo intra-as per determinare i costi dei percorsi a costo minimo verso i gateway. Instradamento a patata bollente : si sceglie il gateway che ha il costo minimo inferiore. Della tabella d inoltro si determina l interfaccia I che conduce al gateway a costo minimo. Si scrive (x,i) nella tabella d inoltro. BGP (protocollo di tipo EGP) Gli AS sono generalmente gestiti da una stessa organizzazione, e spesso sono racchiusi entro i confini nazionali La connessione tra diversi AS deve essere regolata da un protocollo che tenga conto di parametri aggiuntivi, che OSPF o altri protocolli IGP non possono considerare ad esempio, un AS può voler accettare pacchetti provenienti da un altro AS solo se destinati al suo interno, ma non come transito un AS potrebbe accettare di fare da transito per alcuni (che magari hanno pagato per il servizio) e non per altri Per soddisfare queste esigenze è stato realizzato il protocollo BGP (Border Gateway Protocol)

21 Caratteristiche del Border Gateway Protocol Tiene conto di vincoli indipendenti dalla logica del cammino più breve BGP considera la rete (costituita dai boundary router) come un grafico a maglia, dove gli AS sono punti e le connessioni tra AS linee I costi delle linee ed eventuali vincoli vengono generalmente configurati manualmente sui router BGP è un protocollo adattivo di tipo distance vector modificato ogni router scambia con i vicini la propria tabella di routing Rispetto al distance vector: le informazioni scambiate contengono anche i cammini completi verso le destinazioni (algoritmo path vector) un router sa che, per una certa strada, attraverserà determinati AS in questo modo possono essere applicati i vincoli sul routing Ciò permette di risolvere il problema del conto all infinito: ogni router sa se un percorso scelto dal vicino passa per se stesso, e lo scarta