ESERCITAZIONE 9 Lezioni di riferimento: 29, 30

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1 ESERCITAZIONE 9 Lezioni di riferimento: 29, 30 Tecniche di instradamento Nel modello di riferimento OSI una rete di calcolatori è vista come un insieme di sistemi interconnessi. Su alcuni di tali sistemi (ES: End System) risiedono le applicazioni che comunicano usando la rete mentre altri sistemi (IS: Intermediate System) hanno funzioni di instradamento dei messaggi. Ai fini della univoca identificazione viene associato a ciascun sistema in rete un indirizzo numerico. Molto spesso, però, l'utente trova più comodo riferirsi ad un sistema utilizzando un nome anziché un indirizzo numerico. Occorre garantire una relazione biunivoca tra gli indirizzi numerici ed i nomi simbolici; in una rete piccola si può pensare di mantenere nei singoli calcolatori opportuni file di conservazione di tale corrispondenza. Al crescere della dimensione della rete è invece indispensabile dotarsi di una base di dati distribuita, denominata name server. L'indirizzo dell'elaboratore destinatario del messaggio diventa l'elemento chiave con cui si determina l'instradamento più idoneo a raggiungere il sistema remoto. Un primo controllo che il mittente effettua è quello di verificare se il destinatario si trovi nella propria stessa rete: in caso affermativo la trasmissione può avvenire direttamente, altrimenti il pacchetto è affidato ad un IS che si occuperà di farlo giungere a destinazione. La tecnica di instradamento scelta dipende dall'architettura di rete adottata. Esistono tre tecniche principali: Routing by Network Address. Un sistema è indirizzato scrivendo nel pacchetto il suo indirizzo, che deve essere univoco nella rete. Ogni IS usa tale indirizzo come chiave di ricerca nella propria tabella di instradamento e determina lungo quale cammino il pacchetto debba essere ritrasmesso. Tale tecnica è in generale adottata dai protocolli non connessi. Label Swapping. È generalmente impiegata nei protocolli connessi. Ogni pacchetto è marcato con una label che serve come chiave nella tabella di instradamento dell'is. L'IS, prima di ritrasmettere il pacchetto, sostituisce la label corrente con una nuova label. Le label devono quindi essere univoche soltanto nell'ambito di un singolo link. Se il protocollo è connesso, le label coincidono con gli identificativi delle connessioni attive. Source Routing. Nel Source Routing l'instradamento completo, cioè la lista di IS da attraversare, è scritto nel pacchetto dal nodo mittente, che lo chiede ad un IS o lo scopre con meccanismi di route location. 62

2 INDIRIZZI Su reti ad accesso multiplo come le LAN, l'instradamento richiede l'instaurazione di relazioni tra indirizzi di sottolivello MAC e indirizzi di livello Rete: l'indirizzo MAC serve a discriminare il destinatario finale di un pacchetto nell'ambito di una LAN; l'indirizzo di livello Rete identifica il destinatario finale del pacchetto nell'ambito dell'intera rete. Normalmente un nodo ha tanti indirizzi di livello MAC quante sono le sue schede di rete locale ed un solo indirizzo di livello Rete. FUNZIONALITÀ DI UN ROUTER Un Router è un Intermediate System operante a livello 3. Generalmente un Router riceve i pacchetti da una scheda di LAN o di WAN che gestisce un protocollo di livello 2. La scheda verifica se il pacchetto è destinato al Router (sempre vero su linee punto-punto, da verificarsi tramite indirizzo MAC in ambito LAN); in caso affermativo il pacchetto passa al processo di forwarding, che determina la linea su cui ritrasmetterlo previa consultazione della propria tabella di instradamento. Un Router svolge le proprie funzioni utilizzando pacchetti di livello 3. Il formato di tali pacchetti varia a seconda dell'architettura di rete. Spesso i Router sono impiegati per l'interconnessione di reti che si riconducono ad architetture diverse; perché ciò possa avvenire correttamente i Router devono essere in grado di supportare architetture diverse (il formato dei pacchetti varia con l'architettura delle reti in cui sono localizzati mittente e destinatario). NEIGHBOR GREETINGS Gli IS collegati ad una LAN devono conoscere gli ES afferenti alla stessa LAN e viceversa: gli IS devono includere gli ES della LAN nelle tabelle di instradamento e propagare l'informazione della loro raggiungibilità agli altri IS; gli ES devono conoscere gli IS presenti nella LAN per sapere a chi inviare messaggi non destinati a nodi collegati alla stessa LAN. Si ricordi che una LAN può essere priva di Router o averne uno o più di uno. 63

3 ALGORITMI DI INSTRADAMENTO La scelta di un algoritmo di instradamento è difficile, in quanto esistono più criteri di ottimalità spesso contrastanti, ad esempio minimizzare il ritardo medio di ogni pacchetto o massimizzare l'utilizzo delle linee. La soluzione di alternative nella scelta dei cammini deve basarsi su parametri metrologici opportunamente definiti. Gli unici parametri universalmente riconosciuti sono: numero di IS attraversati lungo il cammino (hops); costo del cammino definito in base ad una particolare metrica. Requisiti di un buon algoritmo di Routing sono: 1. Semplicità: i Router hanno CPU e memoria finite e devono impiegare la maggior parte del loro tempo a instradare pacchetti piuttosto che a calcolare tabelle di instradamento. 2. Robustezza: non deve esistere nessun presupposto né vincolo sulla topologia di rete, che deve poter essere modificata dinamicamente senza interrompere il funzionamento della rete. 3. Ottimalità: i cammini devono essere scelti in modo da realizzare al meglio gli obiettivi prefissati. 4. Stabilità: in condizioni di invarianza della topologia di rete l'algoritmo deve convergere rapidamente ad un instradamento stabile. 5. Equità: nessun nodo deve essere privilegiato o danneggiato. Gli algoritmi di routing si dividono in due gruppi: non adattativi (statici e deterministici) e adattativi (dinamici e non deterministici). I primi utilizzano criteri fissi di instradamento, mentre gli altri calcolano le tabelle di instradamento in funzione della topologia della rete e dello stato dei link. L'opportunità di utilizzare algoritmi di un tipo o di un altro è strettamente legata al contesto di applicazione. ALGORITMI STATICI Fixed Directory Routing Il Fixed Directory Routing prevede che ogni nodo abbia una tabella di instradamento che metta in corrispondenza il nodo da raggiungere con la linea da usare, e che tale tabella sia scritta manualmente dal gestore della rete nel Router tramite un'operazione di management. In presenza di guasti è necessario un intervento manuale del gestore per il reinstradamento dei flussi di traffico. Esiste una variante, detta quasi-statica, che adotta più alternative da scegliere secondo un certo ordine di priorità, in funzione dello stato della rete. 64

4 La gestione manuale delle tabelle risulta molto complessa e difficoltosa, soprattutto per reti di grandi dimensioni. Flooding Ciascun pacchetto in arrivo ad un nodo viene ritrasmesso su tutte le linee, eccetto quella su cui è stato ricevuto. La probabilità che il pacchetto giunga a destinazione è massima, ma induce in rete un carico elevato anche quando il traffico offerto è minimo. ALGORITMI ADATTATIVI Gli algoritmi di instradamento adattativi sono quelli in cui le tabelle dipendono dalle informazioni raccolte sulla topologia della rete, sul costo dei cammini e sullo stato corrente degli elementi che la compongono (nodi, collegamenti). Gli algoritmi adattativi possono essere centralizzati (in un unico punto della rete vengono raccolte e analizzate tutte le informazioni e calcolate le tabelle), isolati (ogni Router si procura e gestisce autonomamente le informazioni di supporto all'instradamento) o distribuiti (i Router cooperano al calcolo delle tabelle). Routing Centralizzato Il Routing Centralizzato prevede la presenza in rete di un RCC ( Routing Control Center) che conosce la topologia della rete, riceve da tutti i nodi informazioni sul loro stato e su quello dei collegamenti, calcola le tabelle di instradamento e le distribuisce ai nodi. L'informazione di cui si dispone per il calcolo delle tabelle è massima, e consente l'adozione di algoritmi di instradamento estremamente sofisticati. L'aggiornamento delle tabelle di instradamento avviene su base periodica, con cicli di raccolta dell'informazione periferica, calcolo delle nuove tabelle e successiva distribuzione delle stesse. Routing Isolato Ciascun IS calcola in modo indipendente le tabelle di instradamento senza scambiare informazioni con altri IS. 1. Algoritmo Hot Potato. Ogni IS cerca di liberarsi dei pacchetti in arrivo nel minor tempo possibile, ritrasmettendo il pacchetto sulla linea con la coda di trasmissione più breve. 2. Algoritmo Backward Learning. L'IS acquisisce una conoscenza indiretta della rete analizzando il traffico che lo attraversa. Nella versione base il nodo deduce dal pacchetto in arrivo la sola possibilità di collegamento con il nodo di generazione attraverso la linea che ha consegnato il pacchetto. Una successiva versione di Backward Learning prevede l'inserimento nei pacchetti di un hop counter in grado di esprimere il costo della propagazione di un pacchetto lungo un dato percorso in termini di ritardo di consegna. Gli IS possono così conservare più alternative, ordinate in base al costo, per ciascuna destinazione. Così strutturato, l'algoritmo consente 65

5 aggiornamenti delle tabelle soltanto in caso di miglioramenti nello stato della rete. Per poter acquisire anche le modifiche in senso negativo occorre limitare temporalmente la validità delle informazioni presenti nelle tabelle di instradamento. Quando all'is arriva un pacchetto con destinazione ignota, si procede alla sua propagazione mediante flooding. Routing Distribuito Il Routing Distribuito si pone come scelta di compromesso tra i due precedenti: non esiste un RCC, ma le sue funzionalità sono realizzate in modo distribuito da tutti gli IS della rete, che usano un protocollo di servizio per lo scambio reciproco di informazione e un secondo protocollo di servizio per gli scambi con gli ES. Le tabelle di instradamento vengono calcolate a partire dai due parametri di ottimalità descritti in precedenza: costo e numero di hop. Il costo di ciascuna linea di ciascun Router è un parametro che viene impostato dal network manager tramite il software di gestione dei Router. Gli algoritmi di Routing Distribuito si suddividono in due grandi famiglie: Distance Vector e Link State Packet. 1. Algoritmi Distance Vector (Bellman-Ford). Oltre alla tabella di instradamento, ciascun Router mantiene una struttura dati (distance vector) per ogni linea. Il distance vector associato a una linea contiene informazioni ricavate dalla tabella di instradamento del Router posto all'altra estremità della stessa linea.la tabella di instradamento nasce dalla fusione dei distance vector associati a tutte le linee attive del Router. A ciascun indirizzo visibile in rete (sia IS che ES) la tabella associa il numero di hop e il costo del cammino completo di collegamento e la linea di uscita dal nodo corrispondente al cammino. L'aggiornamento delle tabelle di instradamento avviene sulla base delle informazioni scambiate con i nodi adiacenti. Nodi adiacenti si scambiano le rispettive tabelle di instradamento. Quando un nodo riceve la tabella di un nodo adiacente, somma 1 al numero di hop associato ai cammini e il costo della linea di arrivo dell'aggiornamento ai costi contenuti nella tabella; naturalmente ignora il contenuto della riga corrispondente al proprio indirizzo. Una volta apportate tali modifiche, il nodo memorizza i nuovi valori come distance vector associato alla specifica linea considerata. Se il nuovo distance vector è diverso dal precedente si procede al calcolo di una nuova tabella di instradamento per fusione dei distance vector correntemente disponibili. Se la nuova tabella è diversa dalla precedente il suo contenuto viene propagato verso i nodi adiacenti. Le tabelle vengono ricalcolate anche quando una linea di un nodo passa dallo stato attivo a quello inattivo. Alcune versioni dell'algoritmo prevedono ricalcolo e distribuzione delle tabelle su base periodica. La fusione delle tabelle avviene assumendo come criterio prioritario il costo dei cammini, mentre il numero di hop entra soltanto in seconda battuta, dovendo discriminare tra cammini a pari costo. Ulteriori parità vengono risolte su base casuale. 2. Algoritmi Link State Packet (Dijkstra). Ciascun IS dispone della mappa completa della rete su cui calcolare gli instradamenti ottimali. Ogni Router apprende tramite protocolli di neighbor greetings quali siano i nodi a lui adiacenti. Mediante pacchetti LSP ( Link State Packet) il nodo propaga le proprie adiacenze a tutti i nodi della rete, associando ai nodi adiacenti il costo delle linee di collegamento diretto. Ogni IS conserva per ciascun IS della rete l'lsp ricevuto più recente. Dato l'insieme completo degli LSP l'is dispone di una mappa completa e aggiornata della rete, alla quale può applicare il calcolo dello Spanning Tree di tipo SPF (Shortest Path First) usando l'algoritmo di Dijkstra. L'algoritmo di Dijkstra consente a ciascun nodo di 66

6 individuare in seno alla rete un albero a costo minimo in cui svolge funzione di radice. Dato l'albero, diventa immediata l'individuazione della porta a cui inviare i pacchetti destinati ad un dato nodo. I due algoritmi di Routing Distribuito appena visti si differenziano per la natura delle informazioni scambiate e per le possibilità di applicazione. In Distance Vector i nodi collaborano esplicitamente alla costruzione delle tabelle di instradamento, mentre in LSP la collaborazione è mirata esclusivamente alla costruzione della mappa della rete (il calcolo della tabella viene effettuato per intero dal nodo depositario). La complessità dell'algoritmo impiegato da LSP è inferiore a quella dell'algoritmo di Distance Vector: per reti con elevato numero di nodi ( > 1000) si è costretti a ricorrere a LSP. Torna al Sommario 67