Cap.08 – Protocolo IP e Algor. Roteamento - Turma 3B

Administração e Projeto de Redes
Material de apoio
Protocolo IP e Algorítmos de Roteamento
Cap.8
17/01/2010
2
Esclarecimentos




Esse material é de apoio para as aulas da disciplina e não substitui a
leitura da bibliografia básica.
Os professores da disciplina irão focar alguns dos tópicos da
bibliografia assim como poderão adicionar alguns detalhes não
presentes na bibliografia, com base em suas experiências profissionais.
O conteúdo de slides com o título “Comentário” seguido de um texto,
se refere a comentários adicionais ao slide cujo texto indica e tem por
objetivo incluir alguma informação adicional aos conteúdo do slide
correspondente.
Bibliografia básica: KUROSE, James F.; ROSS, Keith. Redes de
Computadores e a INTERNET - Uma nova abordagem. Pearson. : ,
2001.
3
Comentário:
Formato do datagrama IP (Versão 4)
tamanho total do
datagrama (bytes):
Máximo 64 octetos
classe de serviço
32 bits
versão do protocolo IP
tamanho do header (bytes)
número máximo de
saltos (decrementado
em cada roteador)
protocolo da camada superior
com dados no datagrama:
TCP = 6; UDP = 17; ICMP =
1; IGRP = 88; OSPF = 89
Tamanho do cabeçalho TCP?
ver
head. type of
len
service
16-bit identifier
time to
live
protocolo
length
flgs
fragment
offset
Internet
checksum
Para fragmentação/
remontagem
Flags sinalizam:
• Fragmenta Sim/Não
• Último fragmento Sim/Não
32 bit endereço IP de origem
32 bit endereço IP de destino
 20 bytes do TCP
 20 bytes do IP
 = 40 bytes + cabeçalho da camada de aplicação
Opções (se houver)
Dados (tamanho variável,
tipicamente um segmento
TCP ou UDP)
Ex.: marca de tempo,
registro de rota lista
de roteadores a
visitar.
Fragmentação e Remontagem
de pacotes IP
4






Enlaces de rede têm MTU (max.
transfer size) - corresponde ao
maior frame que pode ser
transportado pela camada de
enlace.
Tipos de enlaces diferentes
possuem MTU diferentes
(Ethernet: 1518 bytes).
Datagramas IP grandes podem ser
divididos dentro da rede
(fragmentados).
Um datagrama pode dar origem a
vários datagramas.
A “remontagem” ocorre apenas no
IP de destino final.
O cabeçalho IP é usado para
identificar e ordenar datagramas
que foram fragmentados.
5
Protocolo IPv6 - Motivação


Motivação inicial da implementação do IPv6:
 A capacidade de endereçamento 32 bits do IPv4 estava
praticamente esgotada.
Motivação adicional:
 Melhorar o formato do cabeçalho IP para permitir maior
velocidade de processamento e de transmissão
(simplificação).

Mudanças no cabeçalho para incorporar mecanismos de
controle de QoS (Quality of Service).
Comentário:
Formato do datagrama IP (Versão 6)
6





Classe de tráfego: equivale à Classe de Serviço do IPv4. Trata de QoS.
Rótulo de fluxo: associado com a função de QoS. Define tratamentos
semelhantes para pacotes com mesmo rótulo de fluxo (p.ex. VoIP, streaming).
Comprimento da carga útil: quantidade de bytes de dados carregados no
pacote IP.
Próximo Cabeçalho: indica onde está o cabeçalho (extensão) e equivale ao
campo Protocolo do IPv4 quando não tem cabeçalho extensão.
Limite de saltos: equivalente ao TTL do IPv4.
Tamanho fixo
40 octetos
7
IPv4 versus IPv6
IPv4
Cabeçalhocomtamanhovariável
Temdetecção de errousandoCheck
Sum
Fragmentaçãode pacotes IPnarede é
opcional, definidapelohost de origem
(bit nocampoFlag)
IPv6
Cabeçalhotemtamanhofixo40bytes
Checksumfoi removidoparareduzir o
tempode processamentodos pacotes
dentrodo roteador
Nãoé permitidaa fragmentação de
grandes pacotes narede
ICMPv6: nova versão de ICMPinclui
mensagemde tipos de mensagens
adicionais. Por ex.: “Packet Too Big”.
Opções: sãopermitidas, mas são
alocadas emcabeçalhos
suplementares, indicados pelocampo
“Próximocabeçalho”
Funções de gerenciamentode grupos
multicast
8
Transição do IPv4 para IPv6


Nem todos os roteadores podem ser atualizados simultaneamente.
Estratégia de Tunelamento: IPv6 transportado dentro de pacotes IPv4
entre roteadores IPv4 (encapsulamento).
9
NAT – Network Address Translation


Motivação:
 Nem sempre é interessante manter os hosts e servidores com
endereços IP públicos, ou nem sempre temos endereços IP
públicos disponíveis para todos os hosts.
3 tipos de NAT
 NAT Estático: 1 endereço IP público para 1 endereço IP privado.


NAT Dinâmico: Pool de endereços IP públicos para atender os hosts
situados na LAN.
NAT Overload ou PAT: 1 endereço IP público para “n” endereços IP
privados.
10
NAT – Network Address Translation

Benefícios:
 Deve-se alocar tantos endereços IP públicos quanto necessários
para permitir o acesso à Internet, seguindo a regra 1 para 1 (1
endereço IP público por host acessando a Internet
simultaneamente).



É possível alterar os endereços dos dispositivos LAN sem precisar
notificar as demais LANs.
É possível mudar de ISP, que altera o endereço IP, sem alterar os
endereços dos dispositivos na rede local.
Os dispositivos da LAN não são explicitamente endereçáveis ou
visíveis pelo mundo exterior (um adicional de segurança).
11
Como funciona o processo NAT ?



Datagramas que saem do roteador NAT:
 É substituido o “endereço IP de origem na LAN” de cada datagrama
pelo “endereço IP do NAT”.
 . . . clientes/ servidores destino responderão usando “endereço IP
do NAT” como endereço de destino.
No roteador NAT existe a Tabela de Tradução do NAT que associa cada
“endereço IP de origem” para o par de tradução NAT: “endereço IP do
NAT”.
Datagramas que chegam no roteador NAT:
 É substituído o “endereço IP do NAT” de cada datagrama pelo
“endereço IP de origem na LAN” correspondente armazenado da
Tabela de Tradução do NAT.
Comentário:
PAT: Port Address Translation
12




Variação do NAT: Network Address Translation.
Recurso utilizado quando não há endereços IP públicos
para todos os hosts da LAN.
Outros nomes:
 SNAT/Masquerading: Linux (Iptables).
 NAT Overload.
 Hide-Mode NAT (CheckPoint).
 NAPT (RFC 3022).
 Internet Connection Sharing (Microsoft).
Opera na camada 3 e camada 4 do modelo OSI, enquanto
que o NAT opera somente na camada 3.
13
PAT – Port Address Translation



Motivação:

As LANs podem utilizar apenas um endereço IP para dar acesso à WAN.
Benefícios:

Não é preciso alocar uma gama de endereços do ISP. Apenas um endereço
IP é usado para todos os dispositivos da LAN.

É possível alterar os endereços dos dispositivos LAN sem precisar notificar
as demais LANs.

É possível mudar de ISP, que altera o endereço IP, sem alterar os
endereços dos dispositivos na rede local.

Os dispositivos da LAN não são explicitamente endereçáveis ou visíveis
pelo mundo exterior (um adicional de segurança).
O uso do PAT é controverso:

Roteadores deveriam processar somente até a camada 3 (Rede).

Violação do argumento fim-a-fim (host fala diretamente com host) (IP-IP).

A possilidade do uso de PAT deve ser levada em conta pelos
desenvolvedores de aplicações. Por ex., nas aplicações P2P.

A escassez de endereços deveria ser resolvida pelo IPv6.
14
Como funciona o processo PAT ?



Datagramas que saem do roteador PAT:
 É substituido o “endereço IP de origem na LAN, porta TCP#” de
cada datagrama pelo “endereço IP do PAT, nova porta TCP# do
PAT”.
 . . . clientes/ servidores destino responderão usando “endereço IP
do PAT, nova porta TCP# do PAT” como endereço de destino.
No roteador PAT existe a Tabela de Tradução do PAT), que associa
cada “endereço IP de origem, porta TCP#” para o par de tradução
PAT: “endereço IP do PAT, nova porta TCP# do PAT”.
Datagramas que chegam no roteador PAT:
 É substituído o “endereço IP do PAT, nova porta TCP# do PAT” de
cada datagrama pelo “endereço IP de origem na LAN, porta TCP#”
correspondente armazenado da Tabela PAT de Tradução do PAT.
15
Exemplo do esquema PAT
2: roteador PAT
substitui end. origem
do datagram de
10.0.0.1, 3345 para
138.76.29.7, 5001 e
atualiza a tabela
3: resposta chega
endereço de destino:
138.76.29.7, 5001
1: hospedeiro 10.0.0.1
envia datagrama
para 128.119.40, 80
4: roteador PAT
substitui o endereço de
destino do datagrama
de 138.76.29.7, 5001
para 10.0.0.1, 3345
16
A Camada de Rede
Entidade de rede em roteadores ou hospedeiros:
Camada de Transporte: TCP, UDP
Camada de
Rede
Prot. de roteamento
• Escolha de caminhos
• RIP, OSPF, BGP
Tabela
de rotas
Protocolo IP
• Endereçamento
• Formato dos datagramas
•Tratamento de pacotes
Protocolo ICMP
• Aviso de erros
• Sinalização de rotas
Camada de Enlace
Camada Física
17
Conectividade LAN-to-LAN

Roteadores encapsulam e de-encapsulam pacotes de dados no seu
percurso pela rede quando eles são transferidos do sistema X ao Y.
X
C
C
Y
A
A
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data Link
Physical
B
B
A
Network
Data Link
Physical
B
Network
Data Link
Physical
C
Network
Data Link
Physical
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data Link
Physical
Determinação do caminho
do pacote (path)
18


Roteadores encontram o melhor caminho através da rede:
 Tabelas de Roteamento (Routing tables) dentro dos roteadores
contém a informação da topologia da rede. É usada para
determinar o roteamento.
A decisão do roteador é local: escolher com base na Tabela de
Roteamento, qual a porta de saída para encaminhamento do pacote IP
recebido.
5
2
8
4
1
3
9
Which Path?
10
6
7
11
19
Algumas métricas de roteamento





Comprimento do caminho (path): total de hops (enlaces/ pulos) ou
total dos custos de cada hop do path.
Confiabilidade (Reliability): taxa de falhas (MTBF), tempo de
recuperação de falha (MTTR), taxa de erros (bits errados).
Atraso da rede (Delay): tempo decorrido para o pacote chegar ao seu
destino (tamanho das filas, congestionamento da rede, distância física
percorrida pelo pacote.
Largura de faixa (velocidade do link) e carga (% de ocupação):
depende da velocidade do link e forma de uso.
Custo de comunicação ($): custo operacional dos links (OPEX).
R1
R1
0
R2
R2
13
R3
R2
15
R4
R4
6
R5
R2
25
R6
R4
26
C u sto
Referência: Roteador #1
P r ó x im o H o p
Exemplo da montagem da
Tabela de Roteamento
D e s t in a t á r io
20
21
Roteamento Multiprotocolo

Roteadores multiprotocolo podem rotear diversos protocolos de rede
simultaneamente. Cada protocolo tem sua própria tabela de
roteamento.
Routing Tables
IPX 3a.0800.5678.12ab
Novell Apple
IPX 4b.0800.0121.ab13
IP
DEC
Token
Ring
IP 15.16.50.3
AppleTalk 100.110
VAX
DECnet 5.8
Token
Ring
IP 15.16.42.8
AppleTalk 200.167
IP 15.17.132.6
VAX
DECnet 10.1
22
Roteamento Estático (Static Routing)



A Tabela de Roteamento é atualizada
manualmente pelo Administrador da
Rede.
Benefícios:
 Reflete o conhecimento do
Administrador sobre a topologia.
 Privacidade — não é compartilhado
como parte de um processo de
atualização com os demais
roteadores.
 Evita a sobrecarga de
processamento devido ao
roteamento dinâmico.
Uso quando a rede é “Terminada”, isso
é, quando o roteador só tem uma porta
de acesso ao resto da rede.
A
B
LAN
23
Roteamento Dinâmico (Dynamic Routing)


Os roteadores trocam informações sobre a topologia e funcionalidade
da rede entre si e atualizam suas Tabelas de Roteamento.
Uma mudança no caminho preferencial (AD-DC) altera a nova rota
para (AB-BC) até que AD seja restaurado e nova atualização da Tabela
Roteamento irá ocorrer.
A
X
D
A
B
X
C
D
B
C
24
Objetivos dos Algoritmos de Roteamento





Otimização: seleção da melhor rota com base em métricas e
ponderações (pesos) usados nos cálculo.
Simplicidade e baixa carga de processamento: softwares “leves”.
Robustez e estabilidade: desempenho adequado mesmo diante de
situações não previstas (exemplo: alto tráfego).
Rápida convergência: as informações sobre as melhores rotas são
rapidamente recebidas e incorporadas pelos roteadores envolvidos
(lentidão na convergência pode gerar “loops” ou quedas da rede).
Flexibilidade: adaptação rápida e precisa às mudanças da rede
(disponibilidade do roteador, velocidade dos links, dimensionamento de
filas de entrada e saída e atraso (latência) dos pacotes, etc..).
Classificação dos algoritmos de
roteamento
25


Estático ou dinâmico?

Estático:
 As rotas mudam lentamente ao longo do tempo.

Dinâmico:
 As rotas mudam mais rapidamente.
 Podem responder a mudanças no custo dos enlaces.
 Atualizações periódicas da Tabela de Roteamento.
Global ou Descentralizada?

Global:
 Todos os roteadores têm informações completas da topologia e do
custos dos enlaces.
 Algoritmos “link state”.

Descentralizada:
 Roteadores só conhecem informações sobre seus vizinhos e os enlaces
para eles.
 Troca de informações com os vizinhos.
 Algoritmos “distance vector”.
Global: Algorítmo “Link State”
de roteamento dinâmico
26




O roteador mantém o mapa lógico de “toda” a rede.
Os roteadores somente trocam informações entre si quando ocorrer
uma mudança na rota ou serviço.
Os mapas da rede vão sendo “construídos” em cada roteador
(“convergência”).
Roteador inunda (“flooding”) a rede com informações de todos os seus
enlaces (conexões para redes e conexões para outros roteadores) e as
alterações são conhecidas imediatamente.

Eficiente, mas é mais complexo para configurar.

Conhecido como “Primeiro Caminho Mais Curto” (Shortest Path First).

Exemplo: OSPF – Open Shortest Path First.
Descentralizado: Algorítmo “Distance
Vector” de roteamento dinâmico
27






O roteador mantém o mapa lógico de parte da rede.
Somente os roteadores vizinhos trocam, periodicamente, mensagens
de suas tabelas de roteamento entre si, mesmo que não tenham sido
alteradas desde a última troca de informações.
A Tabela de Roteamento tem informação necessária para atingir o
próximo roteador na direção de cada um dos roteadores existentes na
rede (Próximo Hop).
Também chamado roteamento por rumor (routing by rumor).
Fácil de configurar, mas é um processo mais lento de “aprendizado”
para os roteadores otimizarem suas Tabelas de Roteamento.
Exemplo: RIP e IGRP.
Internet:
Por que usar Roteamento hierárquico?
28



Supondo uma idealização para fins de estudo:
 Roteadores são todos idênticos.
 Redes “flat” (o plano de numeração é livre e não depende de
região).
 … na prática, isso não é verdade ou possível.
Escala: com 200 milhões de destinos:
 Não é possível armazenar todos os destinos numa única tabela de
rotas!
 As mudanças na tabela de rotas irão congestionar os enlaces!
A realidade é uma Autonomia Administrativa:
 Internet = rede de redes.
 Cada administração de rede pode querer controlar o roteamento na
sua própria rede.
29
Roteamento hierárquico




Agrega roteadores em regiões, chamados “sistemas
autônomos ” (AS-Autonomous System).
As regiões AS são interligadas usando roteadores Gateway
que estão na borda da rede AS.
Roteadores no mesmo AS rodam o mesmo protocolo de
roteamento.
 Protocolo de roteamento “intra-AS” (Dentro da Rede).
Roteador Gateway interligam :
 Tem link direto para um roteador em outro AS.
30
Roteamento intra-AS


Também conhecido como Interior Gateway Protocols (IGP).
Protocolos de roteamento intra-AS mais comuns:
 RIP: Routing Information Protocol.
 OSPF: Open Shortest Path First.
 IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (proprietário
da Cisco).
31
Roteamento inter-AS da Internet: BGP



BGP (Border Gateway Protocol): é o padrão de fato para
uso na Internet.
BGP provê cada AS dos meios para:
 Obter informações de alcance de sub-rede dos
Assinantes Vizinhos.
 Propagar informações de alcance para todos os
roteadores internos ao AS.
 Determinar “boas” rotas para as sub-redes baseado em
informações de alcance e política.
Permite que uma subnet comunique sua existência para o
resto da Internet: “Estou aqui”.
BGP – Border Gateway Protocol:
conceitos básicos
32




Pares de roteadores (BGP peers) trocam informações de roteamento
por conexões TCP semi-permanentes: sessões BGP.
Note que as sessões BGP não correspondem aos links físicos.
Quando AS2 comunica um prefixo ao AS1, AS2 está prometendo que
irá encaminhar todos os datagramas destinados a esse prefixo em
direção ao prefixo.
AS2 pode agregar prefixos em seu comunicado.