RETI di CALCOLATORI 2 A.A. 2006/2007 Rete ed Instradamento Alberto Polzonetti

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1 RETI di CALCOLATORI 2 A.A. 2006/2007 Rete ed Instradamento Alberto Polzonetti alberto.polzonetti@unicam.it

2 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 2 Protocolli di Instradamento la loro funzione è di determinare il percorso seguito da un datagramma dalla sorgente alla destinazione I protocolli di instradamento di Internet incorporano molti dei principi che abbiamo imparato precedentemente : gli approcci stato dei link (Link State LS) evettore delle distanze (Distance Vector DV) sono punti fondamentali per linstradamento nellInternet attuale.

3 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 3 Algoritmi DV e LS Algoritmo DV Ciascun nodo dialoga solo con i vicini direttamente connessi informandoli sulle stime a costo minimo da se stesso a tutti i nodi ( che conosce) della rete Ciascun nodo mantiene un vettore delle distanze minime da ogni altro nodo consentendo di selezionare il router successivo ( next hop) Algoritmo LS Ciascun nodo dialoga con tutti gli altri nodi via broadcast, ma comunica loro solo i costi dei collegamenti direttamente connessi. Si sviluppa in quattro passi : 1. Creazione da parte di ciascun nodo di un pacchetto con lo stato dei collegamenti diretti del nodo 2. Inondazione (flooding) 3. Sviluppo dellalbero con i percorsi più brevi (Dijkstra) 4. Calcolo della tabella di instradamento

4 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 4 Problemi relativi al modello adottato A. Scala. Allaumentare del numero dei router, loverhead (carico aggiuntivo) dellesecuzione dei calcoli, dellimmagazzinamento e della comunicazione delle informazioni della tabella di instradamento diventa proibitivo. B. Autonomia amministrativa. una società desidera far funzionare i suoi router a suo piacere (per esempio, adottare un algoritmo di instradamento a sua scelta) nascondere aspetti dellorganizzazione della rete interna allesterno.

5 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 5 Instradamento gerarchico aggregazione di router in regioni o sistemi autonomi (AS, Autonomous Systems). I router allinterno dello stesso AS avranno tutti lo stesso algoritmo di instradamento (per esempio, un algoritmo LS o DV) e si scambieranno informazioni tra loro Lalgoritmo di instradamento che funziona allinterno di un sistema autonomo è detto protocollo di instradamento intra-sistema autonomo Sarà necessario, naturalmente, collegare gli AS tra loro, e quindi uno o più dei router in un AS dovrà avere il compito aggiuntivo di essere responsabile di instradare i pacchetti alla destinazione esterna allAS: questi router sono detti router gateway. Lalgoritmo di instradamento che i gateway usano per lindirizzamento fra i diversi AS è conosciuto come protocollo di instradamento inter-sistema autonomo (inter-autonomous system routing protocol).

6 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 6 SCENARIO In essa ci sono tre AS di instradamento, A, B e C. Il sistema autonomo A possiede quattro router, A.a, A.b, A.c e A.d, in cui funziona il protocollo di instradamento intra-AS adottato allinterno del sistema autonomo A. Questi quattro router hanno informazioni complete sui percorsi di instradamento allinterno del sistema autonomo A. In modo analogo, i sistemi autonomi B a C hanno tre e due router, rispettivamente. I protocolli di instradamento intra- AS che funzionano allinterno di A, B e C non necessariamente sono gli stessi I router gateway sono A.a, A.c, B.a e C.b. Oltre a far funzionare i protocolli di instradamento intra-AS insieme agli altri router dei loro AS, questi quattro fanno funzionare tra loro un protocollo di instradamento inter-AS. Il router gateway A.c deve far funzionare sia un protocollo di instradamento intra- AS con i suoi vicini A.b e A.d, sia un protocollo inter-AS con il router gateway B.a. Si noti che le voci nella tabella di inoltro del router A.c sono derivate da entrambi i protocolli intra- e inter-AS.

7 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 7 Instradamento in Internet Protocolli di instradamento intra sistemi autonomi (PROTOCOLLI per GATEWAY INTERNI - IGP) RIP – Routing Information Protocol OSPF – Open Short Path First Protocolli di instradamento inter sistemi autonomi (PROTOCOLLI per GATEWAY ESTERNI – EGP) BGP – Border Gateway Protocol

8 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 8 RIP – Routing Information Protocol Protocollo distance vector Usa il conteggio degli hop come metrica di costo Il massimo costo di un percorso è fissato a 15 Le tabelle di instradamento vengono scambiate ogni 30 secondi (messaggio di replica RIP) Se un router non ha notizie da un vicino almeno una volta ogni 180 secondi, il vicino è considerato morto I messaggi di replica RIP sono trasportati da UDP (porta 520)

9 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 9 Come funzionano gli avvisi RIP Un router riceve un messaggio RIP dal router C Rete24 Rete38 Rete64 Rete83 Rete95 Tutti gli hop count del messaggio vengono incrementati di 1 Rete25 Rete39 Rete65 Rete84 Rete96 Rete17A Rete22C Rete68F Rete84E Rete94F Vecchia tabella di instradamento Algoritmo di aggiorna mento Rete17A Rete65C Rete84E Rete25C Rete39C Rete94F Nuova tabella di instradamento RETE1 nessuna novità non cambia RETE2 ci sono nuovi hop e si cambiaRETE3 nuovo router si aggiunge RETE6 hop successivo differente, meno salti, si cambia RETE8 hop successivo differente, stessi salti, non si cambia RETE9 hop successivo differente, più salti, non si cambia

10 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 10 OSPF – Open Short Path First (componenti) Hello: ogni nodo deve riconoscere l'esistenza delle adiacenze (messaggio ai propri vicini nel quale annuncia se stesso) Link State (Packet): tabella contenente le coppie link- costo per ogni nodo adiacente Flooding: meccanismo che permette la diffusione in "broadcast" dei LS a tutta la rete; Algoritmo di Dijkstra o Shortest Path First (SPF): algoritmo che permette di ricavare la tabella di routing Bringing up Adiacencies: meccanismo per sincronizzare i database di macchine adiacenti

11 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 11 Miglioramenti incorporati in OSPF Sicurezza. Tutti gli scambi fra router OSPF (per esempio, aggiornamenti dello stato dei link) sono autenticati. Percorsi multipli con lo stesso costo. Quando diversi percorsi verso una destinazione hanno lo stesso costo, lOSPF permette che siano usati più percorsi Supporto integrato per instradamento unicast e multicast. L OSPF multicast fornisce una semplice estensione allOSPF per fornire linstradamento multicast Supporto della gerarchia allinterno del dominio di un singolo router. possibilità di strutturare gerarchicamente un sistema autonomo configurandolo in aree

12 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 12 Struttura gerarchica di un AS con OSPF Un sistema autonomo OSPF può essere configurato in aree. Ciascuna area ha il suo algoritmo di instradamento OSPF basato sullo stato dei link, con ciascun router nellarea che trasmette il suo stato dei link a tutti i router di quellarea. I dettagli interni di unarea restano quindi invisibili al suo esterno. Linstradamento intra-area coinvolge solo quei router che giacciono allinterno della stessa area. Dentro ciascuna area, uno o più router di bordo area (area border router) sono responsabili dellinstradamento dei pacchetti verso lesterno. Esattamente unarea OSPF nellAS è configurata per essere larea backbone (dorsale). Il ruolo principale dellarea backbone è di instradare il traffico fra le altre aree nellAS. La backbone contiene sempre tutti i router di bordo area delle diverse aree dell AS e può contenere anche dei router non di bordo area. Linstradamento inter-area entro lAS richiede che il pacchetto sia instradato prima verso un router di bordo area (instradamento intra-area), poi che venga instradato attraverso la backbone al router di bordo area che si trova nellarea di destinazione, e da qui verso la sua destinazione finale.

13 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 13 Schema di una rete OSPF Router interni. Questi router sono in un area diversa dalla backbone ed eseguono solo linstradamento intra-AS. Router di bordo area. Questi router appartengono sia a unarea sia alla backbone Router della backbone (router non di bordo area). Questi router eseguono linstradamento entro la backbone ma non sono router di bordo area. Allinterno di unarea non backbone, i router interni apprendono dellesistenza delle rotte verso altre aree dalle informazioni trasmesse entro larea dai suoi router backbone Router di confine (boundary router). Un router di confine scambia le informazioni di instradamento con router appartenenti ad altri sistemi autonomi. Questo router può, per esempio, usare BGP per compire linstradamento inter-AS. È attraverso questo tipo di router di confine che gli altri router apprendono i percorsi verso reti esterne.

14 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 14 BGP – Border Gateway Protocol :uso Ottenere informazioni sulla raggiungibilità delle sottoreti da parte di sistemi confinanti Propagare queste informazioni a tutti i router interni Determinare i percorsi sulla base delle informazioni ricevute e delle politiche del sistema autonomo

15 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 15 Sessioni BGP Lo scambio di informazioni avviene su connessioni TCP punto-punto ( porta 179) I router a capo della connessione sono chiamati peer BGP e la connessione è chiamata sessione BGP Sessione BGP esterna e sessione BGP interna

16 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 16 BGP – Border Gateway Protocol : caratteristiche (I) Protocollo path vector Router BGP confinanti si scambiano informazioni dettagliate tra i percorsi (lista degli AS sul percorso verso una destinazione) Come nel protocollo generico vettore delle distanze (distance vector) BGP è un protocollo distribuito, i router BGP comunicano solo con quei router BGP ai quali sono direttamente attaccati. Linformazione globale sui percorsi verso destinazioni remote si propaga in modo da-AS-ad-AS attraverso lo scambio di informazione di instradamento BGP tra coppie di pari BGP direttamente connessi

17 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 17 BGP – Border Gateway Protocol : caratteristiche (II) Instrada verso reti piuttosto che verso host Una volta che un datagram raggiunge la rete di destinazione, per instradare il datagram verso la destinazione finale sarà utilizzato il sistema di instradamento intra-AS di quella rete Un annuncio consiste in un indirizzo di rete di destinazione in forma CIDR (per esempio, 128.119.40/24) Un sistema autonomo è identificato da un numero di sistema autonomo assegnato dallICANN Attributi associati a quel percorso AS-PATH Lista di tutti gli AS su cui è passato lannuncio NEXT-HOP Identità del prossimo router sul percorso

18 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 18 BGP – Border Gateway Protocol : attività (I) 1. Ricezione e filtraggio di annunci sui percorsi da parte di vicini direttamente attaccati. Un pari BGP che annuncia un percorso verso un AS di destinazione promette che se un AS confinante gli rilancerà un datagram destinato a quellAS di destinazione, esso sarà in grado di inoltrare quel datagram lungo un percorso verso quella destinazione un router BGP ignorerà gli annunci che contengono il proprio numero di AS nellAS-PATH, dato che quel percorso darebbe luogo a un loop di instradamento, se usato. Poiché viene specificato lintero percorso verso lAS, un amministratore di rete può esercitare un notevole controllo sullinstradamento seguito dai datagram.

19 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 19 BGP – Border Gateway Protocol : attività (II) 2. Selezione del percorso. Un router BGP può ricevere diversi annunci sui percorsi verso lo stesso AS di destinazione, e deve scegliere quale percorso usare tra quelli annunciati. BGP fa una distinzione chiara tra meccanismo di instradamento e politica di instradamento. In particolare, BGP non specifica come un AS deve scegliere un percorso tra quelli annunciati. Questa è una decisione politica che viene lasciata allamministratore di rete dellAS In assenza di preferenze locali, il percorso selezionato è spesso il più breve percorso di AS (cioè, quello che attraversa il minor numero di AS nel percorso verso la destinazione). 3. Invio di annunci sui percorsi ai vicini. Così come un router BGP riceverà annunci sui percorsi dai suoi vicini, anche lui annuncerà percorsi ai suoi vicini.

20 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 20 1. B conosce da A che ha un percorso AW 2. B installa il percorso BAW sulla sua base di informazione 3. B annuncia il suo percorso al proprio cliente X 4. Deve annunciarlo anche a C ? Uno scenario BGP politiche di instradamento QUALUNQUE TRAFFICO CHE ATTRAVERSA LA DORSALE DI UN ISP DEVE AVERE UNA SORGENTE O UNA DESTINAZIONE IN UNA RETE CLIENTE DI QUELLISP

21 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 21 perché si usano diversi protocolli intra e inter AS ? A. POLITICA B. SCALA C. PRESTAZIONI

22 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 22 Instradamento Broadcast : unicast a N vie Dati N nodi destinazione il nodo origine prepara N copie del pacchetto e le invia in unicast alle N destinazioni Semplice ma inefficiente Se il nodo origine è connesso alla rete tramite un singolo collegamento questo sarà attraversato da N copie dello stesso pacchetto Si ammette implicitamente che i destinatari del broadcasting siano noti : necessari altri meccanismi di protocollo e necessità di computazione aggiuntiva

23 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 23 Flooding incontrollato Il nodo origine invia una copia del pacchetto a tutti i vicini Quando un nodo riceve un pacchetto lo duplica e lo invia a sua volta ai propri vicini ad eccezione di quello da cui lo ha ricevuto Se il grafo è connesso questo schema alla fine farà pervenire una copia del pacchetto a tutti i nodi Difetto fatale tempesta di brodcast ( broadcast storm)

24 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 24 Flooding controllato con numero di sequenza Ciascun nodo origine pone il proprio indirizzo ed un numero di sequenza di broadcasting nei pacchetti prima di inviarli ai suoi vicini Ciascun nodo mantiene una lista di indirizzi e di origine per ogni pacchetto broadcast ricevuto, duplicato ed inoltrato Quando un nodo ne riceve uno controlla la lista, ed in caso affermativo lo elimina

25 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 25 Flooding controllato: Inoltro su percorso inverso (reverse Path Forwarding) Router riceve un pacchetto broadcast con indirizzo sorgente Il pacchetto è stato ricevuto dal link di minor costo allindietro verso il server ? SI: Trasmissione sui link di uscita ad eccezione del link dove ha ricevuto il pacchetto NO: pacchetto scartato Il nodo ha solo bisogno di conoscere tra i link adiacenti quale è quello di percorso minimo verso la sorgente

26 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 26 Albero di copertura Un albero di copertura di un grafo G=(V,E) è un grafo G=(V,E) in cui E è un sottoinsieme di E che contiene tutti i nodi e non contiene i cicli. Se i pacchetti fossero inoltrati lungo lalbero di copertura(lungo i lati) ogni nodo riceverebbe solo una copia del pacchetto broadcast

27 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 27 Broadcast con albero di copertura

28 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 28 Determinazione dellalbero di copertura : approccio basato sul centro Si definisce un nodo centrale (nucleo) Utilizzando linstradamento unicast i nodi inoltrano al nodo centrale il loro messaggio di adesione Il percorso si arresta quando il messaggio incontra un noto che ha già aderito oppure il nucleo Questo percorso viene considerato come un innesto nellalbero di copertura

29 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 29 Costruzione di un albero di copertura

30 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 30 MULTICASTING Un numero sempre maggiore di applicazioni di rete richiedono la spedizione di pacchetti da uno o più sender a un gruppo di receiver. la trasmissione dellaggiornamento di un software dal suo sviluppatore agli utenti che richiedono laggiornamento il trasferimento di audio, video e testi per lettura diretta a un gruppo distribuito di partecipanti alla lettura una riunione aziendale o una teleconferenza condivisa tra molti partecipanti distribuiti Per ciascuna di queste applicazioni, unastrazione molto utile è la nozione di multicast: linvio di un pacchetto da un sender a molti receiver con una singola operazione di spedizione.

31 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 31 Approccio MULTICAST da uno a tutti

32 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 32 Approccio MULTICAST : livello applicativo

33 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 33 Approccio MULTICAST : esplicito

34 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 34 Considerazioni generali Il terzo approccio rende più efficiente luso della larghezza di banda della rete, in quanto solo una singola copia di un datagram attraverserà un link. Daltra parte, allo strato di rete è richiesto un supporto considerevole per implementare uno strato di rete consapevole del multicast. Il multicast a livello applicativo può essere più efficiente dellunicast da-uno-a-tutti ma richiede una quantità significativa di infrastrutture per installare e mantenere larchitettura di distribuzione a livello applicativo. Con la comunicazione multicast, ci troviamo ad affrontare due problemi che sono molto più complessi rispetto al caso dellunicast: come identificare i receiver di un datagram multicast come indirizzare un datagram spedito a questi receiver.

35 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 35 Come identificare i receiver di un datagram multicast un datagram multicast è indirizzato usando lindirizzo per via indiretta Vale a dire, si impiega un singolo identificatore per il gruppo di receiver, e una copia del datagram che è indirizzato al gruppo usando questo singolo identificatore è spedita a tutti i receiver multicast associati al gruppo. il singolo identificatore che rappresenta un gruppo di receiver è un indirizzo multicast di classe D. Al gruppo di receiver associati con lindirizzo di classe D ci si riferisce come al gruppo multicast (multicast group).

36 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 36 Protocollo IGMP : caratteristica principale Internet Group Management Protocol opera tra un host ed il router ad esso direttamente collegato

37 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 37 Funzioni di IGMP LIGMP costituisce il mezzo per un host di informare il router a esso collegato che unapplicazione che funziona nellhost vuole unirsi a uno specifico gruppo multicast. IGMP non è un protocollo che opera fra tutti gli host che sono riuniti in un gruppo multicast, Per coordinare i router multicast è richiesto un altro protocollo allinterno di Internet, così che i datagram multicast possano essere instradati alle loro destinazioni finali. (algoritmi di instradamento multicast dello strato di rete). Il multicast dello strato di rete in Internet consiste allora di due componenti complementari: l IGMP e i protocolli di instradamento multicast.

38 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 38 Messaggi IGMP Membership query (dal router) inviato attraverso un router a tutti gli host su uninterfaccia collegata per determinare il set di tutti i gruppi multicast a cui sono uniti gli host su quella interfaccia. Membership_report (dallhost) Gli host rispondono a un messaggio membersbip_query con un messaggio IGMP membership_report (rapporto affiliazioni). I messaggi membership-report possono anche essere generati da un host quando un applicazione si unisce per la prima volta a un gruppo multicast, senza aspettare un messaggio membership query dal router. leave_group (dallhost)

39 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 39 Instradamento multicast : scenario Lobiettivo dellinstradamento multicast è di trovare un albero di link che colleghi tutti i router cui sono attaccati gli host che appartengono al gruppo multicast. I pacchetti multicast saranno allora instradati attraverso questo albero dal sender a tutti gli host appartenenti allalbero multicast. Naturalmente, lalbero può contenere router che non hanno collegati host appartenenti al gruppo multicast

40 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 40 Instradamento multicast che usa un albero condiviso dal gruppo Si usa un approccio centralizzato definendo un nodo centrale come punto di rendezvous o nucleo Tutti i router cui sono collegati host multicast aderiscono al nucleo con messaggi unicast Il percorso seguito definisce il ramo dellalbero

41 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 41 Instradamento multicast che usa un albero basato sulla sorgente Mentre gli algoritmi per linstradamento multicast visti prima costruiscono un albero di instradamento singolo, condiviso, che è usato per instradare i pacchetti da tutti i sender, la seconda ampia classe di algoritmi per linstradamento multicast costruisce un albero di instradamento multicast per ciascuna sorgente nel gruppo In pratica si usa è lalgoritmo di inoltro basato sul percorso inverso (RPF, Reverse Path Forwarding) con nodo origine il nodo sorgente multicast

42 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 42 RPF con potatura Il router D inoltrerà messaggi multicast a tutti i router a valle anche se questi non appartengono a nessun gruppo multicast. Un router multicast che riceve pacchetti multicast e che non ha host attaccati che appartengono a quel gruppo invierà un messaggio di potatura al router che sta a monte. Se un router riceve un messaggio di potatura da ciascuno dei suoi router a valle, inoltrerà anchesso un messaggio di potatura verso il router a monte.

43 Alberto Polzonetti Reti di calcolatori 2 43 Instradamento Multicast in Internet (1) protocollo di instradamento multicast distance vector (DVMRP, Distance Vector Multicast Routing Protocol) Alberi basati sulla sorgente con RPF e potatura usa un algoritmo distance vector che permette a ciascun router di calcolare il link in uscita (hop successivo) che si trova sul suo percorso più breve allindietro verso qualsiasi possibile sorgente. Questa informazione è quindi usata nellalgoritmo RPF In aggiunta al calcolo delle informazioni sullhop successivo, calcola anche un elenco di router a valle per scopi di potatura.