Capítulo 4: Camada de Rede Metas do capítulo: r entender os princípios em r que se fundamentam os r serviços de rede: m m m m r Resumo: roteamento (seleção de caminhos) escalabilidade como funciona um roteador tópicos avançados: IPv6 instanciação e implementação na Internet r r r serviços da camada de rede princípio de roteamento: seleção de caminhos roteamento hierárquico IP Protocolos de roteamento da Internet m m r r dentro de um domínio entre domínios como funciona um roteador? IPv6 4: Camada de Rede 4a-1 Funções da camada de rede r r transporta pacote da estação remetente à receptora protocolos da camada de rede em cada estação, roteador aplicação transporte rede enlace física três funções importantes: r determinação do caminho: rota seguida por pacotes da origem ao destino. Algoritmos de roteamento r comutação: mover pacotes dentro do roteador da entrada à saída apropriada r estabelecimento da chamada: algumas arquiteturas de rede requerem determinar o caminho antes de enviar os dados rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física aplicação transporte rede enlace física 4: Camada de Rede 4a-2 Modelo de serviço de rede Q: Qual é o modelo de serviço para o “canal” que transporta pacotes do remetente ao receptor? r r r r r largura de banda garantida? preservação de temporização entre pacotes (sem jitter)? entrega sem perdas? entrega ordenada? realimentar informação sobre congestionamento ao remetente? A abstração mais importante provida pela camada de rede: ? ? ? circuito virtual ou datagrama? 4: Camada de Rede 4a-3 Circuitos virtuais “caminho da-origem-ao-destino se comporta como um circuito telefônico” m m r r r estabelecimento de cada chamada antes do envio dos dados cada pacote tem ident. de CV (e não endereços origem/dest) cada roteador no caminho da-origem-ao-destino mantém “estado” para cada conexão que o travessa m r em termos de desempenho em ações da rede ao longo do caminho da-origem-ao-destino conexão da camada de transporte só envolve os 2 sistemas terminais recursos de enlace, roteador (banda, buffers) podem ser alocados ao CV m para permitir desempenho como de um circuito 4: Camada de Rede 4a-4 Circuitos virtuais: protocolos de sinalização usados para estabelecer, manter, destruir CV r usados em ATM, frame-relay, X.25 r não usados na Internet de hoje r aplicação 6. dados recebidos aplicação transporte 5. começa fluxo de dados transporte rede 4. conexão completa 3. chamada aceita rede 1. inicia chamada enlace 2. chegada de chamada enlace física física 4: Camada de Rede 4a-5 Rede de datagramas: o modelo da Internet r r r não requer estabelecimento de chamada na camada de rede roteadores: não guardam estado sobre conexões fim a fim m não existe o conceito de “conexão” na camada de rede pacotes são roteados tipicamente usando endereços de destino m 2 pacotes entre o mesmo par origem-destino podem seguir caminhos diferentes aplicação transporte rede 1. envia dados enlace física aplicação transporte rede 2. recebe dados enlace física 4: Camada de Rede 4a-6 Modelos de serviço da camada de rede: Arquitetura de Rede Internet r Modelo de Banda serviço ATM melhor esforço CBR ATM VBR ATM ABR ATM UBR Garantias ? Informa s/ Perdas Ordem Tempo congestion.? nenhuma não não não taxa constante taxa garantida mínima garantida nenhuma sim sim sim sim sim sim não sim não não (inferido via perdas) sem congestion. sem congestion. sim não sim não não Modelo Internet está sendo estendido: Intserv, Diffserv m Capítulo 6 4: Camada de Rede 4a-7 Rede de datagramas ou CVs: por quê? Internet r r r ATM troca de dados entre r computadores r m serviço “elástico”, sem reqs. temporais estritos sistemas terminais “inteligentes” (computadores) m podem se adaptar, exercer controle, recuperar de r erros m núcleo da rede simples, complexidade na “borda” muitos tipos de enlaces m características diferentes m serviço uniforme difícil evoluiu da telefonia conversação humana: m temporização estrito, requisitos de confiabilidade m requer serviço garantido sistemas terminais “burros” m telefones m complexidade dentro da rede 4: Camada de Rede 4a-8 A Camada de Rede na Internet Componentes da camada de rede em estações e roteadores: Camada de transporte: TCP, UDP Camada de rede Protocolos de Roteamento •seleção de rotas •ex: RIP, OSPF, BGP Protocolo Roteável •convenções de endereços •formato do datagrama •ex: IP Tabela de Rotas Processo de Roteamento Protocolo ICMP •relata erros •“sinalização” de roteadores Camada de enlace Camada física 4: Camada de Rede 4a-9 Sumário de Arquitetura de Roteadores Duas funções chave de roteadores: r r “Tendem” a usar protocolos de roteamento (RIP, OSPF, BGP) Comutam datagramas do enlace de entrada para a saída: m m m Portas de Entrada e Saída Matriz de Comutação Processador de Roteamento 4: Camada de Rede 4a-10 Porta de Entrada Camada física: recepção de bits Camada de enlace: p.ex.: Ethernet, PPP Camada de Rede: r Comutação descentralizada: dado o destino do datagrama, procura porta de saída usando tab. de rotas na memória r Meta: completar processamento da porta de entrada na ‘velocidade da linha’ r Filas: se datagramas chegam mais rápido que taxa de re-envio para matriz de comutação 4: Camada de Rede 4a-11 Filas na Porta de Entrada Se matriz de comutação mais lenta do que a soma das portas de entrada juntas -> pode haver filas nas portas de entrada r Bloqueio cabeça-de-linha : datagrama na cabeça da fila impede outros na mesma fila de avançarem r retardo de enfileiramento e perdas devido ao transbordo do buffer de entrada! r 4: Camada de Rede 4a-12 Três tipos de matriz de comutação 4: Camada de Rede 4a-13 Comutação via Memória Roteadores da primeira geração: r pacote copiado pelo processador (único) do sistema r velocidade limitada pela largura de banda da memória (2 travessas do barramento por datagrama) Porta de Entrada Memória Porta de Saída Barramento do Sistema Roteadores modernos: r processador da porta de entrada consulta tabela, copia para a memória r Cisco Catalyst 8500 4: Camada de Rede 4a-14 Comutação via Barramento r datagrama da memória da porta de entrada à memória da porta de saída via um barramento compartilhado r contenção pelo barramento: taxa de comutação limitada pela largura de banda do barramento r Barramento de 1 Gbps, Cisco 1900: velocidade suficiente para roteadores de acesso e corporativos (mas não regionais ou de backbone) 4: Camada de Rede 4a-15 Comutação via Rede de Interconexão supera limitações de banda dos barramentos r Redes Banyan, outras redes de interconexão desenvolvidas inicialmente para interligar processadores num multiprocessador r Projeto avançado: fragmentar datagrama em células de tamanho fixo, comutar células através da matriz de comutação. r Cisco 12000: comuta N Gbps pela rede de interconexão. r 4: Camada de Rede 4a-16 Porta de Saída r Buffers necessários quando datagramas chegam da matriz de comutação mais rapidamente que a taxa de transmissão m m r usa buffers quando taxa de chegada através do comutador excede taxa de transmissão de saída enfileiramento (retardo), e perdas devidas ao transbordo do buffer da porta de saída! Disciplina de escalonamento escolhe um dos 4: Camada de Rede datagramas enfileirados para transmissão 4a-17 Protocolo de Roteamento protocolo de roteamento meta: determinar caminho (seqüência de roteadores) “bom” pela rede da origem ao destino Abstração de um grafo para algoritmos de roteamento: r nos do grafo são roteadores r arestas do grafo são os enlaces físicos m custo do enlace: retardo, financeiro, ou nível de congestionamento 5 2 A 2 1 r B D 3 C 3 1 5 F 1 E 2 caminho “bom”: m m tipicamente significa caminho de menor custo outras definições são possíveis 4: Camada de Rede 4a-18 Classificação de Algoritmos de Roteamento Informação global ou descentralizada? Global: r todos roteadores têm info. completa de topologia, custos dos enlaces r algoritmos “estado de enlaces” Decentralizada: r roteador conhece vizinhos diretos e custos até eles r processo iterativo de cálculo, troca de info. com vizinhos r algoritmos “vetor de distâncias” Estático ou dinâmico? Estático: r rotas mudam lentamente com o tempo Dinâmico: r rotas mudam mais rapidamente m atualização periódica m em resposta a mudanças nos custos dos enlaces 4: Camada de Rede 4a-19 Algoritmo de roteamento de “Estado de Enlaces” Algoritmo de Dijkstra r r r Notação: r c(i,j): custo do enlace do nó topologia da rede, custos dos enlaces conhecidos por todos nós m realizado através de “difusão do estado de enlaces” r m todos nós têm mesma info. calcula caminhos de menor custo de um nó (“origem”) para todos os r demais m gera tabela de rotas para aquele nó r iterativo: depois de k iterações, sabemos menor custo p/ k destinos i ao nó j. custo é infinito se não forem vizinhos diretos D(V): valor corrente do custo do caminho da origem ao destino V p(V): nó antecessor no caminho da origem ao nó V, imediatamente antes de V N: conjunto de nós cujo caminho de menor custo já foi determinado 4: Camada de Rede 4a-20 Algoritmo de roteamento de “Vetor de Distâncias” iterativo: r r continua até que não haja mais troca de info. entre nós se auto-termina: não há “sinal” para parar assíncrono: r r r r r os nós não precisam trocar info./iterar de forma sincronizada! distribuído: r Estrutura de dados: Tabela de Distâncias cada nó comunica apenas com seus vizinhos diretos X cada nós possui sua própria TD 1 linha para cada destino possível 1 coluna para cada vizinho direto exemplo: no nó X, para destino Y através do vizinho Z: D (Y,Z) distância de X para = Y, usando Z como caminho = c(X,Z) + min {DZ(Y,w)} w 4: Camada de Rede 4a-21 Comparação dos algoritmos EE e VD Complexidade de mensagens Robustez: o que acontece se houver falha do roteador? r EE: com n nós, E enlaces, O(nE) mensagens enviadas EE: r VD: trocar mensagens apenas entre vizinhos m varia o tempo de convergência Rapidez de Convergência r r m m nó pode anunciar valores incorretos de custo de enlace cada nó calcula sua própria tabela VD: EE: algoritmo O(n**2) requer O(nE) mensagens m um nó VD pode anunciar um custo de caminho incorreto m podem ocorrer oscilações m a tabela de cada nó é usada VD: varia tempo para convergir pelos outros nós m podem ocorrer rotas cíclicas • um erro propaga pela rede m problema de contagem ao 4: Camada de Rede 4a-22 infinito Roteamento Hierárquico Neste estudo de roteamento fizemos uma idealização: r todos os roteadores idênticos r rede “não hierarquizada” (“flat”) … não é verdade, na prática escala: com > 100 milhões de destinos: r r impossível guardar todos destinos na tabela de rotas! troca de tabelas de rotas afogaria os enlaces! autonomia administrativa r r internet = rede de redes cada admin de rede pode querer controlar roteamento em sua própria rede 4: Camada de Rede 4a-23 Roteamento Hierárquico agregar roteadores em regiões, “sistemas autônomos” (SAs) r roteadores no mesmo SA usam o mesmo protocolo de roteamento r m m protocolo de roteamento “intra-SA” roteadores em SAs diferentes podem usar diferentes protocolos de roteamento intra-SA roteadores de borda r r r roteadores especiais no SA usam protocolo de roteamento intra-SA com todos os demais roteadores no SA também responsáveis por rotear para destinos fora do SA m usam protocolo de roteamento “inter-SA” com outros roteadores de borda 4: Camada de Rede 4a-24 Roteamento Intra-SA e Inter-SA C.b a C Estação e1 r b A.a roteamento Inter-SA entre B.a AeB A.c a d c b A roteamento Intra-SA no SA A a c B Estação e2 b roteamento Intra-SA no SA B Em breve veremos protocolos de roteamento inter-SA e intra-SA específicos da Internet 4: Camada de Rede 4a-25 Estrutura da Internet: rede de redes abordagem hierárquica r provedores (inter)nacionais de backbone (PNBs) r m m r provedores regionais m r p.ex.. Embratel, RNP, IBM interconexão (peering) privada bilateral ou em Pontos de Troca de Tráfego (PTTs) local Prov. regional PNB B PTT PTT PNB A clientes dos PNBs provedores locais ou empresas m Prov. clientes dos provedores regionais Prov. regional Prov. local 4: Camada de Rede 4a-26 Provedor Nacional de Backbone - 1 4: Camada de Rede 4a-27 Provedor Nacional de Backbone - 2 Embratel http://www.embratel.net.br 4: Camada de Rede 4a-28 Conexões Internacionais 4: Camada de Rede 4a-29 Estrutura da Internet: rede de redes r um pacote passa através de diversas redes! local ISP Tier 3 local local ISP Tier-2 ISP ISP ISP ISP Tier-2 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP local local ISP ISP local PTT Tier 1 ISP Tier-2 ISP local ISP Tier-2 ISP local ISP 4: Camada de Rede 4a-30 Roteamento na Internet r A Internet Global consiste de Sistemas Autonônomos (SAs) interligados entre si: m m m r SA Folha: empresa pequena SA com Múltipla Conectividade: empresa grande (sem trânsito) SA de Trânsito: provedor Roteamento em dois níveis: m m Intra-SA: administrador é responsável pela escolha Inter-SA: padrão único 4: Camada de Rede 4a-31 Hierarquia de SAs na Internet Inter-AS: roteadores de fronteira (exterior gateways) Intra-AS: roteadores internos (interior gateways) 4: Camada de Rede 4a-32 Roteamento Intra-SA r r Conhecidos tb como Interior Gateway Protocols (IGP) Os IGPs mais comuns são: m RIP: Routing Information Protocol m OSPF: Open Shortest Path First m IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (proprietário da Cisco) 4: Camada de Rede 4a-33 RIP ( Routing Information Protocol) Algoritmo vetor de distâncias r Incluído na distribuição de BSD-UNIX em 1982 r Métrica de distância: Contagem de Saltos (máx = 15) r m Distância infinita = 16 enlaces Anúncios de Atualização são trocados a cada 30 seg r Se não for recebido anúncio novo durante 180 seg --> vizinho/enlace declarados mortos r m m m m m rotas via vizinho invalidadas novos anúncios enviados aos vizinhos na sua vez, os vizinhos publicam novos anúncios (se foram alteradas as suas tabelas) informação sobre falha do enlace rapidamente propaga para a rede inteira reverso envenenado usado para impedir loops 4: Camada de Rede 4a-34 OSPF (Open Shortest Path First) “open” (aberto): publicamente disponível r Usa algoritmo do Estado de Enlaces m disseminação de pacotes EE m Mapa da topologia a cada nó m Cálculo de rotas usando o algoritmo de Dijkstra r Anúncio de OSPF inclui uma entrada por roteador vizinho r Anúncios disseminados para SA inteiro (via inundação) r 4: Camada de Rede 4a-35 IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) r r r r r Proprietário da CISCO; sucessor de RIP (anos 80) Vetor de Distâncias, como RIP Métricas de custo composta (atraso, largura de banda, confiabilidade, carga, etc) usa TCP para trocar mudanças de rotas Roteamento sem loops via Distributed Updating Algorithm (DUAL) baseado em computação difusa 4: Camada de Rede 4a-36 Roteamento Inter-SA r r Conhecidos tb como Exterior Gateway Protocols (EGP) O EGP mais comum é o BGP-4 4: Camada de Rede 4a-37 Roteamento inter-SA na Internet: BGP BGP (Border Gateway Protocol): o padrão de fato r Protocolo de Vetor de “Caminhos” : r m m semelhante ao protocolo de Vetor de Distâncias cada Border Gateway (roteador de fronteira) difunda aos vizinhos (pares) caminho inteiro (seqüência de SAs) ao destino em função de políticas Supomos: roteador X envia seu caminho para roteador W r W pode ou não selecionar o caminho oferecido por X m r razões de custo, políticas (não roteia via o SA de um concorrente), evitar loops. Note: X pode controlar tráfego de chegada através do controle dos seus anúncios de rotas aos seus pares: m p.ex., se não quero receber tráfego de Z -> não anuncia rotas para Z 4: Camada de Rede 4a-38 Por quê tem diferenças entre roteamento Intra- e Inter-SA? Políticas: Inter-SA: administração quer controle sobre como tráfego roteado, quem transita através da sua rede. r Intra-AS: administração única, logo são desnecessárias decisões políticas r Escalabilidade: r roteamento hierárquico economiza tamanho de tabela de rotas, reduz tráfego de atualização Desempenho: Intra-AS: pode focar em desempenho r Inter-AS: políticas podem ser mais importantes do que desempenho 4: Camada de Rede r 4a-39