Corso di RETI DI COMUNICAZIONE E INTERNET Modulo 1

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1 Politecnico di Milano Sede di Cremona A.A. 2013/14 Corso di RETI DI COMUNICAZIONE E INTERNET Modulo 1 Martino De Marco martino.demarco@polimi.it skype: martino.demarco Parte 2 RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 1

2 Programma del corso 1 - RETI E SERVIZI DI TELECOMUNICAZIONI 1.1 Servizi di telecomunicazioni 1.2 Caratterizzazione delle reti di telecomunicazioni 1.3 Protocolli di comunicazione 2 - RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) 2.1 Il livello data-link 2.2 Il livello di rete 2.3 Valutazione delle prestazioni 2.4 Cenni sull evoluzione delle reti dati in area geografica 3 - RETI DATI IN AREA LOCALE (LAN) 3.1 Architetture e protocolli LAN 3.2 LAN IEEE Wireless LAN 3.4 Interconnessione LAN (bridging e routing) 4 - FONDAMENTI DI TELEFONIA FISSA E MOBILE 4.1 Reti fisse analogiche e digitali 4.2 Reti radiomobili 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 2

3 Sommario Generalità Livello 2: collegamento dati Livello 3: rete Prestazioni 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 3

4 Reti in area geografica - Generalità Topologia costituita da Rete di trasporto a lunga distanza Nodi della rete di accesso Rami tra le due reti Caratteristiche Rete a maglia Senza o con gerarchia Aspetti fondamentali Rami Capacità trasmissiva Nodi Velocità di elaborazione Capacità di memoria Parametri di prestazione Throughput Ritardo Probabilità di perdita 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 4

5 Sommario Generalità Livello 2: collegamento dati Protocolli Stop and wait e ARQ Protocollo HDLC Livello 3: rete Prestazioni 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 5

6 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI OSI Data-link Layer Trasferisce IU prive di errore tra entità di rete su un mezzo trasmissivo reale Fornisce i mezzi funzionali e procedurali per instaurare una connessione tra entità dello strato di rete per il trasferimento dei dati in modo trasparente e affidabile I servizi forniti sono: L'apertura e il rilascio di una connessione di collegamento La frammentazione dei dati in trame Il trasferimento trasparente dei dati (framing) Il rilevamento e il recupero degli errori Il controllo di flusso Il controllo della sequenza dei dati Accesso a mezzo condiviso Esempi: HDLC, ITU-T LAP-B e LAP-D, IEEE 802.x A p p l i c a t i o n l a y e r P r e s e n t a t i o n l a y e r S e s s i o n l a y e r T r a n s p o r t l a y e r N e t w o r k l a y e r D a t a l i n k l a y e r P h y s i c a l l a y e r 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 6

7 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Livello di collegamento dati Compito fondamentale: elevare le prestazioni di una linea fisica con dato tasso di errore offrendo al livello di rete un servizio di collegamento privo di errori Informazione strutturata in trame Funzioni fondamentali Gestione del collegamento dati Delimitazione delle trame Indirizzamento Controllo degli errori e delle eventuali ritrasmissioni Controllo di flusso 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 7

8 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Controllo e recupero degli errori Strategie Forward Error Control - FEC Codici a blocchi Codici convoluzionali Traffico indipendente dal tasso di errore Processing sempre più spinto per codici più complessi Automatic Repeat request Usa un codice di rivelazione di errore Richiede un canale di ritorno Il traffico aumenta con il tasso di errore Protocolli impiegati: Stop and wait Continuous ARQ: trame numerate 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 8

9 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Stop and wait - Assenza di errori Parametri: T f : tempo di trasmissione di una trama (s) T a : tempo di trasmissione di un riscontro (s) T p : tempo di elaborazione (s) - : tempo di propagazione (s) C: frequenza di cifra del canale (bit/s) L f : lunghezza della trama (bit) L a : lunghezza del riscontro (bit) d: distanza tra trasmettitore e ricevitore (m) v: velocità di propagazione (m/s) Efficienza del protocollo in assenza di errori: frazione di tempo in cui il canale è impegnato a trasmettere trame utili T f T p T a T p A B T = f T f + T a + 2 T p + T f T f + 2 = a a = T f = d v L f C 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 9

10 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Stop and wait - Presenza di errori Presenza di errori su trame o riscontri richiede la ritrasmissione con time-out T A B T T a +2T p +2 Esempio di trasmissione con errore sul riscontro Tx trasmette una trama due volte per scadenza del time-out e riceve un riscontro Rx crede di aver ricevuto due trame diverse! T T f T p T a T p È necessario numerare le trame! 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 10

11 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Stop and wait - Presenza di errori A B Esempio di trasmissione con errore sulla trama Tx trasmette una trama due volte per scadenza del time-out e riceve un riscontro T 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 11

12 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Stop and wait - Presenza di errori Selezione del time-out T Il tempo di elaborazione non è controllabile A 0 B Il time-out non deve essere troppo grande per evitare inefficienze Valore minimo del time-out: T a +2T p +2 T 0 A C K 0 Presenza di errori su trame o riscontri richiede la numerazione di trame e riscontri per evitare ambiguità 1 A C K 0 A C K 1 1 bit di numerazione consente di scartare trame duplicate o riscontri duplicati 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 12

13 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Stop and wait - Presenza di errori Calcolo dell'efficienza in presenza di errori Assunzioni Errori sui bit e sulle trame mutuamente indipendenti p: probabilità di un bit errato P: probabilità di una trama errata a i : probabilità di successo alla trasmissione i-esima N s : numero medio di trame trasmesse per trama ricevuta con successo Calcolo efficienza (coeff. utilizzazione link) P =1-1- p L f +L a N s = ia = ip i-1 i 1-P = 1-P = i =1 N s -1 T f +T = 1 1-P ip i -1 i =1 i=1 T f +T f +T a + 2T p + 2 = T f 1-P T T =T a + 2T p + 2 = max = f 1-P T f +T a + 2T p + 2 T a =T p = 0 max = 1-P 1+ 2a T f +TP + T a + 2T p P 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 13

14 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Continuous ARQ A B Esempio di trasmissione senza errori A C K 1 A C K 2 A C K 3 A C K 4 A C K 5 A C K 6 A C K 7 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 14

15 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Continuous ARQ Due tipi di riscontri entrambi numerati ACK i: riscontro positivo di tipo cumulativo fino alla trama i NACK i: riscontro negativo della trama i Protocolli Go-back-n Trame ricevute fuori sequenza a causa di errori sono scartate Ritrasmissione a partire dall'ultima trama non riscontrata n è il numero massimo di trame che possono essere trasmesse in assenza di riscontri (es. n=7 con numerazione modulo 8) NACK i indica riscontro negativo della trama i, ma anche riscontro positivo fino alla trama i-1 Selective repeat Trame accettate anche fuori sequenza buffer richiesto in ricezione per risequenziare le trame NACK i indica solo riscontro negativo della trama i Ritrasmissione selettiva Esplicitamente richiesta (NACK) Per scadenza di time-out 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 15

16 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Continuous ARQ - Esempi A B A B A B A C K 1 2 A C K 1 2 A C K 1 3 A C K 2 3 A C K 2 3 A C K 2 4 A C K 3 4 A C K 3 4 A C K A C K 4 6 N A C K 4 6 N A C K T 7 N A C K A C K 4 A C K A C K 7 A C K A C K G o - b a c k - n S e l e c t i v e r e p e a t 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 16

17 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Continuous ARQ - Efficienza Assunzioni T a = T p = 0 K: numero di trame ritrasmesse in seguito a errore (trascurando la trama errata) Calcolo efficienza (coeff. utilizzazione link) Hp: il buffer del Tx è sempre non vuoto = T f = 1 N s T f N s Selective repeat N s = 1 1- P Go- back- n N s = 1 1- P + K +1 P 1- P + 2K + 1 P 2 1- P ik +1 P i 1- P +...= = ik +1 P i 1- P = KP 1+ K -1 P + 1 = i=0 1- P 1- P KT T f + 2 K = 1+ 2a 1- P SR = 1- P GBN 1+ 2aP 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 17

18 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Continuous ARQ - Sliding window Controllo di flusso sul collegamento dati mediante sliding window Controlla il riempimento dei buffer Basato su numerazione di trame modulo N Sliding window utilizza due finestre Finestra in trasmissione con ampiezza W Fino a W t trame possono essere trasmesse in assenza di riscontro Ogni riscontro ricevuto fa scorrere la finestra Finestra in ricezione con ampiezza W r Fino a W r trame possono essere accettate Le trame accettate in sequenza fanno scorrere la finestra Vincolo per evitare ambiguità: W t + W r N Protocollo Go-back-n W r = 1 W t N-1 Protocollo Selective repeat W t = W r = W W = N/2 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 18

19 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Continuous ARQ - Sliding window Effetto della relazione tra W e A B A B W T f T f A C K 0 A C K 1 W T f T f A C K 0 A C K 1 3 A C K 2 3 A C K 2 A C K 3 A C K 3 W = 4 W = 2 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 19

20 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Sliding window - Efficienza Casi WT f T f + 2 W 1+ 2a WT f T f + 2 W 1+ 2a Senza errori 1 W 1+ 2a = WT f T f + 2 = W W 1+ 2a 1+ 2a Con errori W 1+ 2a : come prima 1-P SR = 1-P GBN 1+ 2aP W 1+ 2a W 1-P = WT f N s T f + 2 = W N s 1+ 2a = 1+ 2a W 1-P 1+ 2a 1+ W -1 P SR GBN K =W 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 20

21 LIVELLO 2: COLLEGAMENTO DATI Sliding window - Efficienza 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 21

22 Sommario Generalità Livello 2: collegamento dati Protocolli Stop and wait e ARQ Protocollo HDLC Livello 3: rete Prestazioni 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 22

23 LIVELLO 2: HDLC High-level Data Link Control Tipo di stazione Primaria: responsabile del collegamento, emette comandi Secondaria: asservita alla primaria, emette risposte Combinata: emette sia comandi, sia risposte Configurazione del collegamento Sbilanciata: 1 primaria, 1 secondarie Bilanciata: 2 stazioni combinate Modi di trasferimento Asynchronous Balanced Mode (ABM): configurazione bilanciata 2 stazioni combinate Trasmissione di tipo full-duplex Normal Response Mode (NRM): configurazione sbilanciata 1 stazione primaria e almeo 1 stazione secondaria Trasmissione di tipo half-duplex Asynchronous Response Mode (ARM): configurazione sbilanciata Come NRM con possibilità per il secondario di iniziare la trasmissione senza permesso 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 23

24 LIVELLO 2: HDLC Struttura di trama Formato di trama Flag Addres s Control Information FCS Flag 8 bit 8xn bit 8/16 bit variable 16/32 bit 8 bit 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 24

25 LIVELLO 2: HDLC Funzioni Flag: Trasparenza dati realizzata tramite bit stuffing Trasmittente inserisce uno 0 dopo ogni occorrenza di cinque 1 (non nei flag) Ricevente rimuove lo zero dopo i cinque uni a b Occorrenza di errori può causare Divisione di una trama in due (flag simulato all'interno di una trama) Fusione di due trame (flag tra due trame consecutive soggetto ad errore) 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 25

26 LIVELLO 2: HDLC Funzioni Address: indica il secondario in configurazioni sbilanciate Campo di 8 bit estendibili a multipli di stazioni indirizzabili con configurazione base Comandi (C): indirizzo indica il destinatario Risposte (R): indirizzo indica il mittente 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 26

27 LIVELLO 2: HDLC Funzioni Control: indica il tipo di trama e contiene la numerazione Tipi di trame Information Supervisory Unnumbered Numerazione 3 bit estendibili a 7 con SNRME N(S): numero sequenziale di trama N(R): numero prossima trama attesa (riscontro implicito fino a N(R)-1) Controllo di flusso Esercitato con il controllo a finestra con N(s) e N(r) Recupero da errori Implementa sia Go-back-n, sia Selective repeat N(S) P/F N(R) 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 27 I S U S P/F N(R) M P/F M I 0 N(S) P/F N(R) S 1 S P/F N(R)

28 LIVELLO 2: HDLC Funzioni Frame check sequence: verifica la correttezza degli altri campi eccetto i flags Polinomio divisore CCITT-ITU: D(X) = X 16 + X 12 + X per FCS con k=16 bit (cioè ) Campo da proteggere P(X) a n bit Campo FCS a k bit Trama trasmessa P'(X) a n+k bit Rivelazione di errore basata sull'aritmetica modulo 2 P X X k D(X ) P X = P X P X D(X ) = P X D(X ) = Q(X )+ R X D(X ) X k X k +R X + R X D(X ) X = Q(X )+ 2R D(X ) = Q(X ) Errore rivelato se la divisione in ricezione produce resto 0 Protezione da Errori singoli su bit Errori su due bit se D(X) ha almeno tre 1 Errori a burst con lunghezza di burst < k La maggior parte degli errori a burst 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 28

29 LIVELLO 2: HDLC Gestione del collegamento dati Comandi e risposte Comando: indirizzo del destinatario Risposta: indirizzo del mittente Type I S U Frame C R RR RNR REJ SREJ SIM SNRM/SNRME SARM/SARME SABM/SABME UA UI RSET FRMR DISC Others 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 29

30 LIVELLO 2: HDLC Gestione del collegamento dati A B S A B M A B T I, 0, 0 I, 1, 0 I, 0, 0 ABM ideale S A B M UA I, 2, 0 I, 3, 1 R R, 2 I, 1, 2 D I S C R R, 4 R R, 2 UA 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 30

31 LIVELLO 2: HDLC Gestione del collegamento dati A B I, 0, 0 A B I, 1, 0 I, 0, 0 I, 0, 0 I, 2, 0 R R, 1 I, 1, 0 I, 2, 0 I, 0, 0 ABM con errore in GBN e SR I, 3, 1 I, 1, 1 R E J, 1 I, 1, 1 I, 3, 0 R R, 1 S R E J, 1 I, 2, 1 R R, 2 I, 1, 1 I, 1, 1 I, 3, 2 R R, 3 I, 4, 1 R R, 4 R R, 2 R R, 4 R R, 5 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 31

32 LIVELLO 2: HDLC Gestione del collegamento dati A B I, 0, 0 I, 0, 0 ABM con ritrasmissione per timeout T I, 1, 0 I, 2, 1 I, 0, 1 R R, 1 R R, 2 R R, 3 I, 3, 1 I, 1, 3 R R, 2 R R, 4 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 32

33 LIVELLO 2: HDLC Gestione del collegamento dati A B C A B C C, S N R M, P C, I, 1, 4, P C, U A, F C, I, 4, 2. F Esempio di NRM C, I, 0, 0, P C, I, 0, 1 C, I, 1, 1 C, I, 2, 1 C, I, 3, 1, F C, R N R, 5 U I U I U I U I B, R R, 0, P C, R R, 4 B, S N R M, P B, I, 0, 1 B, I, 1, 1 B, I, 2, 1, F B, U A, F B, S R E J, 1, P B, I, 0, 0, P B, I, 1, 1, F B, R R, 1, F B, R R, 3 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 33

34 LIVELLO 2: HDLC Gestione del collegamento dati A B C C, R R, 5, P T C, I, 5, 2. F Esempio di NRM (cont.) C, R R, 5, P T C, I, 2, 5, P C, I, 5, 3. F C, R R, 6 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 34

35 LIVELLO 2: HDLC Gestione delle finestre Finestra in trasmissione Trasmesse, in assenza di riscontro, fino a W s trame con L s N(s) (L s +W s -1) modn L s = ultimo N(r) ricevuto in trame I, RR, RNR, REJ Finestra in ricezione L s =3 W s = Accettate tutte le trame con L r N(s) (L r +W r -1) modn L r = ultimo N(r) inviato in trame I, RR, RNR, REJ 5 6 Protocollo Go-back-n W r = 1 W s N-1 L r =5 W r = Protocollo Selective repeat W s = W r = W W = N/ RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 35

36 LIVELLO 2: HDLC Parametri del protocollo Alcuni parametri del protocollo T 1 : time-out per ritrasmissione in assenza di riscontro T 2 : max intervallo di tempo ammesso per elaborazione trama ricevuta e inizio di trasmissione riscontro N 1 : max numero di bit del campo informativo N 2 : max numero di ritrasmissioni ammesse per ogni trama 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 36

37 Sliding window - Efficienza Collegamenti terrestre e via satellite 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 37

38 Sliding window - Efficienza - Collegamento via satellite 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 38

39 Sommario Generalità Livello 2: collegamento dati Livello 3: rete Servizi forniti Algoritmi di instradamento Controllo di congestione e di flusso Protocollo X.25 Prestazioni 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 39

40 Traffico smaltito LIVELLO 3: SERVIZI OSI Network Layer Fornisce i mezzi per instaurare e rilasciare connessioni logiche di rete su cui instradare le informazioni Svolge funzioni di trasferimento dati nodo-nodo Maschera alle entità di trasporto la tecnica di commutazione I servizi forniti sono: Apertura e il rilascio di una connessione di rete Organizzazione dei dati in pacchetti Indirizzamento e trasferimento dei dati end-to-end (instradamento) Controllo della congestione Gestire la qualità del servizio (ad esempio il tempo di attraversamento della rete) Internetworking Esempio: ITU-T X.25 liv. 3, IETF IP A p p l i c a t i o n l a y e r P r e s e n t a t i o n l a y e r S e s s i o n l a y e r T r a n s p o r t l a y e r N e t w o r k l a y e r D a t a l i n k l a y e r CONGESTIONE P h y s i c a l l a y e r Capacità max della rete desiderabile congestione Traffico offerto 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 40

41 LIVELLO 3: SERVIZI Livello di rete Obiettivo: trasferire T-PDU attraverso la rete di comunicazione mascherando ai livelli superiore i dettagli relativi a Tipo di rete sottostante Modalità di commutazione Funzioni fondamentali Instradamento di pacchetti, attuato mediante la funzione di attraversamento Multiplazione di più flussi di livello 3 su un singolo collegamento di livello 2 Controllo di flusso Controllo di congestione Intercooperazione di reti diverse Servizi forniti Datagramma Chiamata virtuale o circuito virtuale Circuito virtuale permanente 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 41

42 Servizio datagramma LIVELLO 3: SERVIZI B C B C 1 A D A D F 3 2 E F 2 E Fuori sequenza B C B C 1 1 A D A 2 3 D F E F 2 E Perdita Duplicazione 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 42

43 1 2 3 LIVELLO 3: SERVIZI Servizio chiamata virtuale B C B C A D A D F E F E Fase di segnalazione Fase dati 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 43

44 LIVELLO 3: SERVIZI Chiamata virtuale - Canali logici A B F C E D IN OUT H 41 B 23 H 2 F 7 IN OUT IN OUT A 23 E 6 B 23 D 56 H 0 C 3 B 3 H 2 H 7 A 3 F 23 C 23 H 11 B 14 A 19 H 1 C 14 H 2 IN OUT C 56 H 8 F 41 H 2 Chiamata virtuale Percorso 1 HA-HD A-B-E-D 2 HA-HE A-F-E 3 HB-HC B-C 4 HB-HA B-A 5 HC-HB C-B 6 HD-HE D-F-E 7 HE-HB E-F-A-B 8 HF-HD F-B-C-D 9 HF-HD F-D B 3 H 2 F 23 B 19 IN OUT H 1 B 23 H 8 D 41 D 2 E 41 A 7 E 33 E 33 A 23 IN OUT B 6 D 16 F 41 H 5 F 33 H 13 H 13 F 33 H 10 F 2 E 16 H 5 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 44

45 LIVELLO 3: SERVIZI Servizio circuito virtuale permanente Analogo alla chiamata virtuale Le fasi di instaurazione e rilascio Non avvengono tramite pacchetti di segnalazione Sono attuate da operatori Gestione manuale delle tabelle di instradamento 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 45

46 LIVELLO 3: SERVIZI Reti in area geografica - Servizi Caratteristica DG VC Indirizzamento di pacchetti (dati) Instradamento Source e destin address in ogni pacchetto Indipendente per pacchetto Controllo di sequenza No Si VCI nel pacchetto Throughput Minore Maggiore Indipendente per chiamata. Fisso nella chiamata Complessità nodi Minore Maggiore (tabelle routing) Controllo di congestione Difficile Relativamente più facile Guasto ad un nodo Perdita pacchetti interessati a quel nodo Reset di tutti i VC passanti nel nodo 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 46

47 Sommario Generalità Livello 2: collegamento dati Livello 3: rete Servizi forniti Algoritmi di instradamento Controllo di congestione e di flusso Protocollo X.25 Prestazioni 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 47

48 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Algoritmi di instradamento Requisiti di un algoritmo di instradamento Semplicità Robustezza Stabilità Ottimalità Pacchetti che devono essere instradati Pacchetti di segnalazione in servizi VC Pacchetti dati in servizi DG Localizzazione della decisione di instradamento Algoritmi centralizzati: un unico centro di controllo prende tutte le decisioni Algoritmi distribuiti: tutti i nodi cooperano per determinare il migliore instradamento in ogni nodo Algoritmi isolati: il nodo sorgente prende le proprie decisioni eventualmente anche in base a informazioni chieste ad altri nodi 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 48

49 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Algoritmi di instradamento -Tassonomia Algoritmi di instradamento Instradamento senza tabella Instradamento gerarchico Instradamento con tabella Random Flooding Source routing Dinamico Fisso Distance vector Link state 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 49

50 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Algoritmi senza tabella Random: il link uscente è scelto casualmente Molto robusto Tempi di ritardo con alta varianza Variazione: instradamento deterministico solo se la destinazione è adiacente (tabella ridotta che definisce solo le adiacenze) Flooding: il pacchetto è replicato su tutti i link uscenti Limitazione del traffico interno garantita se ogni nodo Scarta i pacchetti già transitati oppure Scarta i pacchetti il cui massimo numero di salti si è esaurito (necessario un contatore nel pacchetto) Il nodo generico scarta un pacchetto se Esso è giunto a destinazione Il criterio di scarto è soddisfatto Robustissimo (adottato in applicazioni militari) Aumenta il traffico interno a parità di quello esterno Variazione: instradamento solo su un gruppo di linee uscenti (tabella ridotta con link diretti verso la destinazione) 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 50

51 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Algoritmi senza tabella Source routing: il nodo sorgente predetermina la strada scrivendola nel pacchetto Forma di indirizzo: H s,n 1,N 2,...,N L,H d (N i identifica il nodo i) Path determination Fornita da un path server (soluzione centralizzata, semplice ma inaffidabile) Fornita da un path discovery (soluzione isolata) Path discovery Il nodo sorgente invia in flooding un pacchetto alla destinazione I nodi attraversati riempiono il campo N i Il nodo destinazione sceglie tra i pacchetti arrivati quello che identifica la via migliore (primo arrivato o quello con il minore numero di nodi attraversati) Il nodo destinazione comunica la sua scelta al nodo sorgente che utilizza la via scelta Problema critico: determinazione della frequenza di aggiornamento dei singoli percorsi 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 51

52 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Algoritmi con tabella - Instradamento fisso Algoritmo di instradamento a distanza minima (o costo minimo) richiede la definizione di una metrica Possibili metriche Numero di salti Capacità dei link sulla via Ritardo medio sulla via Numero totale di pacchetti in coda sulla via ecc. Instradamento fisso Un centro di controllo costruisce le tabelle di instradamento che devono essere applicate da ogni singolo nodo e le comunica ai nodi stessi Le tabelle vengono cambiate solo a seguito di aggiornamento della topologia Poco flessibile, in quanto non reagisce a sovraccariche e guasti aleatori 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 52

53 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Instradamento a minima distanza Distance vector Algoritmo distance vector Tabella in ogni nodo che specifica la minima distanza ad ogni altro nodo e quale link in uscita deve essere usato Il nodo riceve la stima dei suoi vicini, somma la sua distanza al vicino e scopre la distanza minima verso ogni altro nodo e il link uscente relativo (vettore delle distanze) Corrisponde ad applicare in ogni nodo l algoritmo di Bellman-Ford con calcolo centralizzato dell albero Esempio 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 53

54 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Algoritmo distance vector - Esempio 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 54

55 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Algoritmo distance vector - Esempio Calcolo del vettore nel nodo A Node B - Step 1 Dest. Cost Rout. A 1 A Node B - Step 2 Dest. Cost Rout. A 1 A Node B - Step 3 Dest. Cost Rout. A 1 A B - B - B - C 3 C C 3 C C 3 C D C D F E 5 E E 3 F E 3 F F 1 F F 1 F F 1 F Node A - Step 1 Node A - Step 2 Node A - Step 3 Node A - Step 4 Dest. Cost Rout. Dest. Cost Rout. Dest. Cost Rout. Dest. Cost Rout. A - A - A - A - B 1 B B 1 B B 1 B B 1 B C 4 B C 4 B C 4 B D 9 F D 6 F D 5 B E 5 F E 4 B E 4 B F 3 F F 2 B F 2 B F 2 B Node F - Step 1 Node F - Step 2 Node F - Step 3 Dest. Cost Rout. Dest. Cost Rout. Dest. Cost Rout. A 3 A A 2 B A 2 B B 1 B B 1 B B 1 B C B C B D D D E D E E 2 E E 2 E E 2 E F - F - F - 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 55

56 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Algoritmo di Bellman-Ford - Esempio d D ij h j = costo della via diretta da i a j ( dij = senza link diretto) = Costo della via a minimo costo da s a j con max h salti h = 1 D = d h = h +1 D If h j h j = min D h = h ij max else go to 2 i j s h 1 i - + stop d ij, D h-1 j Node A Node A Node A Node A Dest. Cost Rout. A - B 1 B C D E F 3 F Dest. Cost Rout. A - B 1 B C 4 B D 9 F E 5 F F 2 B Dest. Cost Rout. A - B 1 B C 4 B D 6 F E 4 B F 2 B Dest. Cost Rout. A - B 1 B C 4 B D 5 B E 4 B F 2 B 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 56

57 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Instradamento a minima distanza - Algoritmi Algoritmo distance vector Usato in ARPANET fino al 1979 con periodo di aggiornamento di 125 ms Basato sulla lunghezza delle code (non su velocità dei link) Anche con metriche diverse era troppo lento a convergere in un contesto dinamico Nuovo algoritmo per ARPANET (1979): link state Ogni nodo misura la distanza (secondo la metrica ritardo) a tutti i suoi vicini Questa distanza è comunicata a tutti altri nodi con flooding Ogni nodo può così costruirsi i percorsi a minima distanza ad ogni altro nodo Periodo di aggiornamento nell ordine dei 10s 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 57

58 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Instradamento a minima distanza - Algoritmo di Dijkstra N = nodi della rete M = insieme dei nodi del grafo corrente MST V(J)= nodi "vicini" all'insieme J d ij = costo della via diretta da i a j (d ij = in assenza del link i - j) D j = Costo della via a minimo costo da s a j 1 M = s D j = d sj D j = j V s otherwise 2 Select k V M D k = min M = M + k D j = min D j,d k + d kj 3 If M = N stop else go to 2 i V M D i j V M 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 58

59 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Algoritmo di Dijkstra - Esempio 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 59

60 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Instradamento a minima distanza - Osservazioni Bellman-Ford e Dijkstra convergono alla stessa soluzione in condizioni statiche Algoritmo di Bellman-Ford Ha convergenza più lenta in condizioni dinamiche E implicitamente di tipo distribuito Ogni nodo deve conoscere solo ciò che vedono i suoi vicini Algoritmo di Dijkstra Può essere implementato sia in forma centralizzata che in forma distribuita Nella forma distribuita, ogni nodo deve vedere l intera rete 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 60

61 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Algoritmi gerarchici Grande numero di nodi implica Grande occupazione di memoria per le tabelle di instradamento Sovraccarico di rete per scambio tabelle di instradamento in algoritmi distribuiti Strutturazione dei nodi in regioni Instradamento basato su tabelle semplificate A.5 routing table Dest. Rout full Rout red A.1 A.6 A.6 A.2 A.4 A.4 A.3 A.4 A.4 A.4 A.4 A.4 A A.6 A.6 A.6 B.1 B.1 B.2 B.1 B.3 B.1 B.4 B.1 B.5 B.1 C.1 C.1 C.2 C.1 C.3 A.4 C.4 A.4 C.5 C.1 C.6 C.1 B.1 C.1 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 61

62 LIVELLO 3: INSTRADAMENTO Algoritmi gerarchici Strutturazione gerarchica dei nodi su più livelli Nodi suddivisi in regioni (primo livello) Regioni divise in aree (secondo livello) Aree divise in zone (terzo livello) ecc. 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 62

63 Sommario Generalità Livello 2: collegamento dati Livello 3: rete Servizi forniti Algoritmi di instradamento Controllo di congestione e di flusso Protocollo X.25 Prestazioni 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 63

64 LIVELLO 3: CONGESTIONE Controllo di congestione e di flusso No congestion within network Mild congestion Severe congestion Region I Region II Region III Network Throughput A B Offered load No congestion within network Mild congestion Severe congestion Region I Region II Region III B Network Delay A Offered load 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 64

65 LIVELLO 3: CONGESTIONE Generalità Portata In accesso alla rete Internodo Hop-by-hop Edge-to-edge End-to-end Tipologia Metodi reattivi Operano con schema a catena chiusa Sono previsti a differenti scale temporali Metodi preventivi Operano con schema a catena aperta Tecnica Credit-based Window scheme Rate-based Tecnica isaritmica Leaky bucket Token bucket 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 65

66 LIVELLO 3: CONGESTIONE Meccanismi Credit-based Controllo di flusso a finestra a catena chiusa Utilizzato tipicamente hop-by-hop a livello 3 Avanzamento della finestra determinato dai riscontri (ack-based window) Realizza un controllo di flusso per circuito virtuale Se utilizzato a livello end-to-end (livello 4) Lo schema diventa del tipo a credito esplicito (credit-based window) Il ricevente invia al trasmittente dei messaggi di credito che possono essere opportunamente adattati Il flusso diventa bursty (critico il dimensionamento di W) Non garantisce una capacità minima alla sessione Controllo di congestione mediante meccanismo a finestra (a catena chiusa) La dimensione della finestra può essere dinamicamente aumentata o diminuita in base alle indicazioni di congestione (esplicite o implicite) che il destinatario riceve Incremento/decremento additivo Incremento/decremento moltiplicativo Combinazione dei due (per esempio decremento moltiplicativo, incremento additivo) 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 66

67 LIVELLO 3: CONGESTIONE Meccanismi Credit-based Controllo di flusso a finestra a catena aperta Per ogni pacchetto trasmesso la finestra si chiude di una posizione Ogni r secondi la finestra si riapre alla massima apertura W A B W / r 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 67 W = 2

68 LIVELLO 3: CONGESTIONE Meccanismi Rate-based Tecnica isaritmica Utilizzata tipicamente all accesso della rete Un numero fisso di permessi circola nella rete Un pacchetto entra in rete se nel nodo di ingresso vi é un permesso che viene consumato Un pacchetto che esce dalla rete genera un permesso nel nodo di uscita Gestione critica della distribuzione dei permessi in rete Tecniche a bucket Utilizzate sia in accesso, sia tra nodi Due tecniche Leaky bucket Token bucket 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 68

69 LIVELLO 3: CONGESTIONE Meccanismi Rate-based Controllo di flusso con leaky bucket Buffer pacchetti con capacità W (pacchetti) P s P a c k e t s P b Un pacchetto trasmesso consuma un permesso W 1 Ogni r secondi viene generato un permesso Perde pacchetti quando ne ha accumulati W Controllo di flusso con token bucket P e r m i t s 1 / r Buffer dei permessi con capacità W (permessi) P a c k e t s Ogni r secondi viene generato un permesso P s P b Un pacchetto trasmesso consuma un permesso 1 Perde permessi in eccesso di W, ma non perde a priori pacchetti Serve meglio sorgenti bursty W P e r m i t s 1 / r 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 69

70 LIVELLO 3: CONGESTIONE Meccanismi Rate-based Esempio P T T L P Leaky bucket s ON p b = 1 Mbit / s OFF = 0.8s = 1 s = 25,000 byte = 4 Mbit / s r = 0.4s W = 10 C [ M b i t / s ] C [ M b i t / s ] t [ s ] t [ s ] C [ M b i t / s ] Token bucket t [ s ] 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 70

71 LIVELLO 3: CONGESTIONE Meccanismi Rate-based Esempio P T T L s ON p = 1 Mbit / s OFF = 0.8s = 1 s = 25,000 byte C [ M b i t / s ] t [ s ] P Leaky bucket b = 1 Mbit / s r = 0.3s W = 10 C [ M b i t / s ] t [ s ] C [ M b i t / s ] Token bucket t [ s ] 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 71

72 Sommario Generalità Livello 2: collegamento dati Livello 3: rete Servizi forniti Algoritmi di instradamento Controllo di congestione e di flusso Protocollo X.25 Prestazioni 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 72

73 LIVELLO 3: X.25 X.25 - Generalità X.25 Protocollo precedentemente più diffuso per reti dati Specifica l interfaccia tra host (DTE) e rete (DCE) Architettura protocollare Strato fisico: X.21 oppure V.24 (cioé la EIA RS-232-F) Strato di collegamento: LAP-B (sottoinsieme di HDLC) Strato di rete: protocollo PLP (Packet Level Protocol) Servizi resi disponibili Chiamata virtuale (VC) Circuito virtuale permanente (PVC) Transport layer Layer 3 Layer 3 Header User data LAP-B Header LAP-B Trailer Layer 2 F A C FCS F 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 73

74 LIVELLO 3: X.25 X.25 - Caratteristiche principali Strato 2 Unità informativa: trama Protocollo LAP-B, derivato da HDLC in modalità ABM Numerazione modulo 8, o modulo 128, o modulo Protocollo ARQ Go-back-n modulo 8 o 128, Selective Repeat modulo 128 o Strato 3 Unità informativa: pacchetto Multiplazione LCI usa 12 bit Fino a 4095 circuiti virtuali possono essere multiplati su un unico collegamento fisico Controllo di sequenza (rilevazione perdita di pacchetti) Numerazione modulo 8, oppure 128, oppure Realizzato con protocollo ARQ Go-back-n (NACK implementato da pacchetti REJ) Controllo di flusso Sliding window con opportuna apertura W s (default W s =2) Massima dimensione di pacchetto e finestra negoziate all instaurazione Max packet size: 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096 bytes (default 128) Max window size: W s =7, 127, RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 74

75 LIVELLO 3: X.25 X.25 - Tipo di pacchetti Type Call set-up and clearing Flow control Resynchronize and error reporting DTE DCE Call request Call accepted Clear request Clear confirmation Data Interrupt request Interrupt confirmation Receiver ready Receiver not ready Reject Reset request Reset confirmation Restart request Restart confirmation DCE DTE Incoming call Call confirmation Clear indication Clear confirmation Data Interrupt request Interrupt confirmation Receiver ready Receiver not ready Reset indication Reset confirmation Restart indication Restart confirmation Diagnostic 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 75

76 LIVELLO 3: X.25 X.25 - Formato dei pacchetti General format identifier (GFI) Qualifier bit (Q): distingue i pacchetti tra tipi di pacchetto (non standard, consente di distinguere dati di utente) Delivery confirmation bit (D): specifica se i riscontri devono essere locali (DTE- DCE, D=0) o end-to-end (DTE-DTE, D=1) Modulo: specifica il modulo di numerazione dei pacchetti (8, 128, 32768) Logical channel identifier (LCI) Logical group number (LGN) Logical channel number (LCN) 0: riservato 1 - x: PVC x : VC Packet type identifier (PTI) P(S): numerazione dei pacchetti in trasmissione P(R): numerazione dei pacchetti in ricezione More bit (M): indica (M=1) l ultimo pacchetto da fornire all entità di trasporto insieme ai precedenti (M=0) 8 7 GFI 6 5 bit Logical Channel Identifier Packet Type Identifier Additional packet header and/or user data byte 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 76

77 LIVELLO 3: X.25 X.25 - Formato dei pacchetti Q D M o d u l o 0 1 : m o d u l o : m o d u l o : d a t a p a c k e t 1 : c o n t r o l p a c k e t G F I L G N 4 b i t s 4 b i t s L C N 8 b i t s P T I 8 b i t s L C I C a l l r e q u s t C a l l a c c e p t e d P T I C a l l i n g D T E C a l l e d D T E C a l l i n g D T E C a l l e d D T E F a c i l i t i e s F a c i l i t i e s U s e r d a t a a d d r l e n g t h a d d r l e n g t h a d d r e s s a d d r e s s l e n g t h ( o n l y c a l l r e q ) 4 b i t s 4 b i t s 8 b i t s 32 / 128 b y t e s D a t a R R R N R R E J P ( R ) M P ( S ) 0 U s e r d a t a ² b y t e s P ( R ) M T y p e R e s e t R e s t a r t C l e a r r e q u e s t I n t e r r u p t r e q u e s t R e s e t R e s t a r t C l e a r I n t e r r u p t c o n f i r m a t i o n D i a g n o s t i c P T I P T I P T I P T I R e s e t / R e s t a r t / C l e a r c a u s e D i a g n o s t i c c o d e ( o p t i o n a l ) U s e r d a t a ( o n l y c l e a r r e q. ) 8 b i t s 8 b i t s ² 3 2 b y t e s U s e r d a t a ² 3 2 b y t e s D i a g n o s t i c c o d e 8 b i t s E x p l a n a t i o n 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 77

78 LIVELLO 3: X.25 X.25 - Esempio di chiamata virtuale A B C a l l r e q u e s t i n c o m i n g c a l l C a l l a c c e p t e d D a t a, 0, 0 D a t a, 1, 0 C a l l c o n f i r m a t i o n D a t a, 0, 0 D a t a, 2, 1 R R, 3 C l e a r r e q u e s t C l e a r c o n f i r m a t i o n D a t a, 1, 3 C l e a r i n d i c a t i o n C l e a r c o n f i r m a t i o n 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 78

79 Sommario Generalità Livello 2: collegamento dati Livello 3: rete Prestazioni Modello di nodo Parametri di traffico 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 79

80 PRESTAZIONI Modello di nodo Funzioni di livello di collegamento dati Ingresso: verifica trama Uscita: generazione e trasmissione trama Funzioni di livello di rete Memorizzazione dei pacchetti entranti Analisi del campo intestazione Instradamento dei pacchetti Controllo di flusso e di congestione Tempo di attraversamento del nodo da parte di un pacchetto Ipotesi: tempo trascurabile nel primo stadio Componenti Attesa nella memoria di ingresso Elaborazione per instradamento Attesa nella memoria di uscita Trasmissione D = D + D = W + T + W + T tot p t p p t t 1 2 N L e v e l 2 L e v e l 3 L e v e l 2 F r o m l o c a l s o u r c e s T o l o c a l d e s t i n a t i o n s 1 2 M 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 80

81 PRESTAZIONI Modelli Tempo di attraversamento Modello base: assunzione di indipendenza Processi di arrivo e di servizio in ogni nodo Processi di arrivo e di servizio in nodi diversi Tempo totale di attraversamento = Somma dei tempi di nodo Modelli reali di sorgente richiedono modellizzazione di nodo molto più complessa Nodo reale: memoria finita Probabilità di perdita di pacchetti 2. RETI DATI IN AREA GEOGRAFICA (WAN) Slide 83