Fulvio Risso

Transcript

Fulvio Risso

Novembre 2003
Nota di Copyright

Algoritmi di Forwarding e di Routing
Una panoramica sulle tecniche di
forwarding e di routing proposte in
letteratura

Fulvio Risso
[email protected]
Mario Baldi

staff.polito.it/mario.baldi

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internetworking - 2
Copyright: si veda nota a pag. 2
Novembre 2003
Terminologia

Nodo “edge”, che agisce come mittente e destinatario finale
dei dati
Intermediate System (IS, router)

Dispositivo contenente al suo interno almeno i livelli fisico,
data link e network
End System
Inglobati insieme
da TCP/IP
End System (ES, end node, DTE)

Terminologia e reti reali
System (node, host)

Novembre 2003
Nodo “core”, che fornisce il transito ai pacchetti tra la
sorgente e la destinazione
Solitamente non genera dati e non è il destinatario finale dei
dati (tranne nel caso di traffico di management)
Solitamente dispone di varie interfacce o porte
Solitamente ES implementano tutti e sette i livelli
OSI, mentre gli IS sono limitati ai primi tre

Application
End System
Apparato di
interconnessione
“classico”
Presentation
Session
Transport
Apparato di
interconnessione
per LAN
Session
Router
Transport
Bridge
Network
Network
Data-link
Data-link
Data-link
Data-link
Physical
Physical
Physical
Physical
Rete 1
Rete 2
L’implementazione dei livelli superiori negli IS è fatta
solamente per esigenze di gestione
internetworking - 3
Application
Presentation
internetworking - 4
Network
Rete 3
Novembre 2003
Forwarding e Routing
C,D,F
C,D,F
B
A,B

2. Forwarding
B,D
F
E
A,
B
B?
A,C,E,F
C
D
C,A,B,D

A,C,E,F
A
A,B

B,D
1. Routing
E,

Normalmente si tratta del livello 3 (network)
Instrada i messaggi sulla rete
Provvedere a trovare percorsi alternativi in caso di
guasti
Può fornire servizi non connessi o servizi connessi
È molto sviluppato sugli IS, meno sugli ES.
F
Il livello di Internetworking

Novembre 2003
Percorsi
equivalenti
D
C,
E
F
F
internetworking - 5
internetworking - 6
E,A,B
Novembre 2003
Forwarding e Routing

Routing (instradamento)

Forwarding (inoltro)

Forwarding e routing

Routing

Determinare la strada che i pacchetti devono fare

Novembre 2003

Far avanzare i pacchetti lungo la strada scelta

Ambedue necessari per l’operatività di una rete
Routing: può essere “manuale” (demandato
all’amministratore)
Terminologia non univocamente definita
internetworking - 7
Off-line
Realizzato indipendentemente dal traffico
Determinazione delle destinazioni raggiungibili da ogni
nodo
Calcolo del percorso migliore
Inserimento di informazioni locali in ogni nodo

Tabella di routing (routing table)
Tabella di forwarding
On-line

Realizzato al trattamento di ogni pacchetto
Basato sulle informazioni locali (tabella di routing)
internetworking - 8
Novembre 2003
Forwarding

Algoritmi di routing on-line
Inoltro dei pacchetti nodo per nodo utilizzando le
informazioni locali
Avviene indipendentemente su ogni nodo
Tre fasi

Routing (on-line): decisione della porta di uscita
Switching (commutazione): spostamento alla porta di uscita
Trasmissione
internetworking - 9
Novembre 2003

Tre algoritmi principali

Routing by Network Address
Label Swapping
Source Routing
Reti reali

Ogni tecnologia sceglie un algoritmo e lo adotta come
preferenziale
internetworking - 10
Novembre 2003
Routing by network address

Label Swapping
Usato tipicamente nei protocolli non connessi

Novembre 2003
Bridge trasparenti, Decnet, IPX, IPv4, IPv6, CLNP
P1
Ogni pacchetto contiene l’indirizzo del nodo
destinatario
Indirizzo di destinazione

Viene usato come chiave di accesso alle tabelle di routing
Destinatari sulla stessa rete
Destinatario su una rete diversa
E, F Æ B
D, G Æ D
E?
C, H Æ C
A
C?
C
D
P2
Routing table
P1
P2
P1
B
P3
C?
P1
P1
B
C
P2
Routing table
P3
P2
P1
A
D
P2
P2
Routing table
P1
P2 Copyright: si veda nota a pag. 2
P2
Novembre 2003
Label Swapping

Identificativo molto piccolo, con valore locale
Abbinato alla porta di ingresso (oppure destinazione)

Ogni nodo commuta in base alla porta da cui arriva il
pacchetto e in base all’etichetta posseduta
Dopo la commutazione viene assegnato al pacchetto una
nuova etichetta da utilizzarsi nel nodo successivo

Assegnazione possibile da parte del nodo stesso, senza
interazioni con altri

Problematica su mezzi ad accesso condiviso

Impossibile procedere ad assegnazione puramente locale
al nodo
On demand: necessita di una procedura per determinare
una etichetta libera su tutto il percorso
Offline: deve essere configurata a priori
Necessita di un numero di etichette molto ampio

È univocamente determinato dal percorso
Richiede la memorizzazione della porta di arrivo / inoltro
Globale

Univocamente determinato dall’insieme (port_in, label_in Æ
port_out, label_out) sui nodi dalla sorgente alla
destinazione
Mittente: non indicato nei pacchetti dati

Percorso

Locale: management semplificato

Label swapping

Assegnazione globale e locale
Etichetta

Novembre 2003
Globale: N*(N-1)
Locale: pari al max numero di connessioni che insistono
su un IS
Novembre 2003
Path Setup

Preparazione delle etichette in ogni nodo
Spesso la segnalazione adotta una diversa tecnica di
forwarding (ad esempio routing by network address) su un
circuito di segnalazione dedicato

Source Routing
Richiede solitamente una fase di connessione

Novembre 2003
Scrittura dell’intero percorso da parte del mittente

Complica la rete, la quale deve gestire due tecniche di
instradamento distinte

Utilizzata in tecnologie di derivazione TLC

X.25, Frame Relay, ATM
Eccezioni

Usato:

APPN: mondo IBM, dove la garanzia del servizio è cruciale
MPLS: mondo IP, ma utilizzato sul backbone dove sono
necessarie altissime velocità di commutazione
Il mittente deve avere la conoscenza della topologia della
rete
I sistemi devono mantenere a bordo una tabella di
instradamento contenente le destinazioni con cui sono
interessati a comunicare
Le entry di tali tabelle vengono solitamente calcolate in
automatico tramite un processo di route discovery

Bridge source-routing
APPN+/HPR
B!
(tramite C, A)
A
C
B
D
Novembre 2003
Confronto
Novembre 2003
Livelli per l’Instradamento

Livello 3 Network

Routing by Network
Address
+ semplicità: no setup
- efficienza: parecchio
overhead nell’header dei
pacchetti dati
- efficienza: tabelle di routing
grosse (se la rete non è
organizzata
gerarchicamente)
- garanzia: difficoltà a
garantire garanzie di servizio
Label Swapping
Source Routing

Livello 2

+ efficienza: tabelle di
instradamento ridotte
+ efficienza: poco
overhead nell’header dei
pacchetti dati
+ garanzia: possibilità di
garazie di servizio
- complessità:
preparazione del percorso
+ efficienza: gli IS
sono estremamente
semplici
- efficienza: gli ES
devono preoccuparsi
del calcolo del
percorso

OSI / Decnet
X.25
IP
Bridged-LAN
Frame Relay
ATM
MPLS
SMDS
Livello 2-3 non distinguibili

APPN+/HPR
Novembre 2003
Indirizzi di livello 2 e di livello 3
R1
CDN
Novembre 2003
Indirizzi e Nomi

R2
A
B
A B

Info L3
(b)
A R1 A B
Info L3
R2 B
A B
(a)
(c)
L2-DSAP
L2-SSAP
L3-DSAP
L3-SSAP
R2 B A B
Info L3

Normalmente un nodo è identificato da uno o più
indirizzi e da un nome
La finalità del nome è quella di identificare il
calcolatore in modo mnemonico per gli umani
La finalità dell’indirizzo è quella di determinare il
percorso dei pacchetti all’interno della rete
La corrispondenza tra nomi e indirizzi può essere
mantenuta tramite:

un file locale ad ogni elaboratore (ormai raro)
una base di dati distribuita (DNS)
Info L3
Pacchetto L3
Pacchetto L2
Novembre 2003
Novembre 2003
Tabelle di routing
Architettura di un Router

Algoritmo di
calcolo della
tabella di
instradamento
Il livello network per instradare i pacchetti si basa:

su informazioni nell’intestazione dei pacchetti

su tabelle di routing presenti negli IS

Le tabelle di routing possono essere:

Tabella di
instradamento
scritte manualmente
calcolate da algoritmi che imparano la topologia della rete e si
adattano ai suoi cambiamenti

Processo di
forwarding

LAN
WAN

indirizzo del destinatario, label (etichetta)
Algoritmi di routing, realizzati da
Protocolli di routing
Normalmente le tabelle di routing sono contenute solo
negli IS
Le informazioni su come raggiungere una destinazione si
dicocono route
Ogni riga della tabella è relativa ad una route
Novembre 2003
Multiprotocol Router
Decnet
Novembre 2003
Servizi Offerti
TCP/IP
OSI
Algoritmo di
calcolo della
tabella di
routing
Algoritmo di
calcolo della
tabella di
routing
Algoritmo di
calcolo della
tabella di
routing
Tabella di
routing
Tabella di
routing
Tabella di
routing

Servizi connessi:

CONS: Connection Oriented Network Services
Realizzati in reti del mondo delle telecomunicazioni

Reti pubbliche (Standard ITU-T)

Processo di
forwarding
Processo di
forwarding
Processo di
forwarding
Servizi non connessi:

CLNS: ConnectionLess Network Services o datagram
Adottati nelle reti proprietarie

e nelle reti del mondo dell’informatica

LAN #1
LAN #2
WAN #1

WAN #2

FDDI
HDLC
X.25 (ISO 8208)
Frame relay
ATM
DECNET
TCP/IP
OSI (ISO 8473)
PPP
Novembre 2003
Algoritmi di routing (off-line)
Criteri di scelta
Servizi Offerti
ISSUE
Initial Setup
Addresses
Packet Sequence
Error Control
Flow Control
Option Neg.
Connection ID
Novembre 2003
CONS
Required
During Setup
Guaranteed
Network Layer
Provided
Yes
Yes
CLNS
Not Possible
Every Packet
Not Guaranteed
Transport Layer
Not Provided
No
No

Obiettivi

Coerenza della rete

Evitare loop, buchi neri, etc
Automaticità dell’algoritmo
Ottimalità

Forma “preferibile” di coerenza
Metrica: criterio con cui l’ottimalità è misurata
A
Esempio di Coerenza:
“inviare sempre i dati
in senso orario”
C
B
D
Novembre 2003
Metriche

Caratteristiche di un algoritmo
Esprimono la bontà del percorso tramite il costo

Confronto di due percorsi: in base al costo inferiore
Criteri possibili

Minimizzazione delle distanze (es. numero di hops)
Minimizzazione dei ritardi
Più criteri combinati insieme con determinati pesi
Possono esserci criteri contrastanti (massimizzazione
dell’utilizzo della rete e minimizzazione dei ritardi)
Complessità

Novembre 2003
Ottimalità assoluta Æ algoritmo magari ingestibile
Più criteri Æ algoritmo più complesso

Algoritmi di routing

Possono non richiedere la conoscenza della topologia della
rete
Semplicità: implementazione; inoltre IS hanno CPU
e memoria finite
Robustezza ed Adattabilità: alle variazioni di
topologia; comprende

Fault Detection
Autostabilizzazione
Robustezza Bizantina
Ottimalità: rispetto alla metrica scelta
Stabilità: l'algoritmo deve attivarsi solo in caso di
variazioni topologiche e di costi
Equità: evitare di favorire / sfavorire particolari nodi
Novembre 2003
Problematiche di transitorio

Black Hole e Routing Loop
Propagazione delle informazioni

Novembre 2003
Una variazione di topologia / costo si propaga in tempo
finito
Alcuni IS possono operare secondo la situazione
aggiornata, mentre altri hanno ancora la situazione vecchia
B,C,D
Black Hole
A
A
C
B
Problemi

Pericoloso perchè disturba anche traffico altrimenti
regolare
To:D
Routing Loop
C
D
C
D
B
A,D
C,D
A,B

Fixed Directory routing (routing statico)
Flooding, Selective Flooding e derivati

Concetto in uso in tecnologie statiche

Distance Vector
Link State

Algoritmi gerarchici

In ogni rete sono ricavabili i percorsi di instradamento
migliori
Se cambia la rete, vengono ricalcolati i percorsi di
instradamento secondo la nuova configurazione
Non è necessario prevedere tutti i guasti (quindi il percorso
di backup)
Variazione topologica della rete

Rete telefonica, etc
Tecnologie distribuite

Routing Centralizzato
Routing Isolato
Routing Distribuito

Novembre 2003
Algoritmi adattativi (dinamici)

A,B,C
Route di backup
Algoritmi non adattativi (statici)

D
Novembre 2003
Classificazione
A,B,C
To:C
A
B,C,D
D
D?
Black Hole: un IS perde la conoscenza di una certa
destinazione
Routing Loop: due IS hanno informazioni contrastanti e i
pacchetti per alcune destinazioni vengono rimpallati tra due
o più IS

A,B
Non si ha solamente in caso di guasto
Anche l’inserimento in rete di una nuova destinazione è una
variazione topologica
Novembre 2003
Fixed Directory Routing
Routing statico e dinamico
Routing
Table di B
B
Scambio di
informazioni di
routing
Routing
Table di D
A Å
C,D Æ
A
Novembre 2003
A,B,C Å
C
Core
Unica strada verso il
“resto del mondo”
Dynamic routing
D
Routing
Table di C
Routing
Table di A
A,B Å
D Æ
B,C,D Æ
Edge
Nessuna
informazione di
routing
Static routing
Novembre 2003
Flooding

Selective Flooding
Altissima probabilità di recapito
del dato

B
D

Selective Flooding (propriamente
detto)

A
Random Walk

Traffico di rete ridotto

C
Robustezza nel consegnare i dati a
destinazione
Nessuna configurazione degli IS
Nuovo obiettivo

A
Utilizzato in reti dove il costo
non è importante, ma
l’affidabilità sì
Necessita di un campo “time to
live” nel pacchetto dati
Obiettivi del flooding

Altissima probabilità di ricevere
il dato duplicato
Deve esistere ovviamente
almeno un percorso disponibile
Notevole traffico di rete

Novembre 2003
B
Accademico
C
Maggiore overhead di gestione
sugli IS
Ogni nodo deve memorizzare se il
pacchetto è già passato o meno
Varianti usate da IS-IS e OSPF
D
E
F
Novembre 2003
Novembre 2003

Routing: B
verso destra,
C e D di sotto
A

B

Io confino con
B a destra e C
di sotto
RCC
C
A
B
C
D

Esiste un Routing Control Center (RCC) che calcola
e distribuisce le tabelle
Il RCC riceve informazioni sullo stato della rete da
tutti i nodi e le usa per calcolare le nuove tabelle
Ottimizza le prestazioni e facilita il debugging
Induce un notevole carico sulla rete specialmente in
prossimità del RCC; single point of failure; poco
adatto a reti con alta dinamicità
Principi simili sono usati nella reti telefoniche
D
Novembre 2003
Novembre 2003
Backward Learning
Routing Isolato

Duale rispetto al Routing Centralizzato

Non esiste un RCC e ogni nodo decide l'instradamento in
modo autonomo senza scambiare informazioni con gli altri
IS
Backward Learning

Dai che ce
la fai.
From: A
To: D
A
Più famoso algoritmo appartenente a questa classe
Usato dai bridge 802.1D per scoprire la locazione delle
stazioni sulle varie LAN
B
C
E
F
A sta alla mia sinistra;
D non è conosciuto,
quindi inoltro in tutte
le direzioni
Variante: memorizzazione dei costi all’interno del pacchetto per
la determinazione di percorsi secondari
D
Novembre 2003
Backward Learning

Apprendimento basato sull’indirizzo sorgente del pacchetto
Riconosce solo i nodi “loquaci”
Non tiene conto di eventuali percorsi peggiorativi (che
diventano corretti in caso di guasto)
Non contempla l’irraggiungibilità di un nodo (validità delle
entry)

Routing Distribuito
Caratteristiche

Necessario un apposito timer per poter eliminare una
destinazione divenuta irraggiungibile
C: conoscerà che A è raggiungibile a costo 2 attraverso B e
a costo 3 attraverso F
Modello Peer

Unione dei vantaggi di routing Isolato e Centralizzato
Centralizzato: i router cooperano allo scambio di
informazioni di connettività
Isolato: i router sono paritetici e non esiste un router
“migliore”
Due algoritmi principali

Variante: memorizzazione dei costi all’interno del
pacchetto per la determinazione di percorsi
secondari

Novembre 2003
Distance Vector

Si distribuiscono ai vicini le informazioni su tutta la rete
Variante: Path Vector

Link State

Utilizzati da gran parte dei protocolli di routing moderno

Si distribuiscono a tutti i router le informazioni sui vicini
Novembre 2003
Redistribuzione
Domini di routing

Problemi

Scelte architetturali diverse da parte di gestori di “domini”
differenti

Routing Distance Vector in un dominio, Link State in un
altro
Io conosco le seguenti
destinazioni del dominio
DV: (A,2), (B,1), (C,2), (D,2),
quindi nel dominio LS,
conosco (E,1), (F,2), ...
Io conosco le seguenti
destinazioni: (A,50),
(B,50), (C,50), (D,50)
Scalabilità del routing

Novembre 2003
Un modello peer non scala
Soluzione

Partizionamento della rete in domini di routing autonomi
Dominio di routing: porzione di rete nel quale è
implementata una tecnologia di routing omogenea
Introduzione di una nuova regola di routing per il
collegamento dei nuovi domini
Soluzione adottata da tutte le architetture di rete
R
B
A
C
G
H
I
D
Distance Vector, con costo
unitario per ogni link
F
E
Link State, con costo
pari a 10 per ogni link
Novembre 2003
Novembre 2003
Routing gerarchico
Redistribuzione

Tecnica per condividere informazioni tra domini di
routing distinti

Es. dominio RIP e OSPF

L’informazione di costo può venire:

Regole

Può essere usata per realizzare il routing gerarchico
Le route apprese in un dominio possono venire
distribuite anche nell’altro

Assunto
Non necessariamente vi sono algoritmi/protocolli distinti

La rete viene divisa in zone (o aree) indipendenti
Se sorgente e destinazione risiedono all’interno della stessa
zona, il pacchetto viaggia all’interno della zona
Se sorgente e destinazione risiedono in zone distinte

Vengono viste come route esterne al dominio

Mantenuta: si ottiene virtualmente un dominio unico
Posta ad un valore standard: si realizza il routing
gerarchico
Il pacchetto è inoltrato verso il più vicino punto di uscita
dalla zona mittente
Il pacchetto è inoltrato verso zona destinataria da router
che operano tra zone
Il pacchetto è inoltrato all’interno della zona destinazione
B2
A1
È possibile una redistribuzione selettiva (in una
sola direzione)
Zona A
A2
B3
Zona B
B1
Novembre 2003
Osservazioni sul routing gerarchico

Conoscenza topologica

Limitata alla propria zona
Può esserci conoscenza limitata sull’esterno

Partizione delle zone

Percorsi: possono essere subottimali e asimmetrici

Per esempio solo l’elenco delle destinazioni, ma non le
interconnessioni tra loro

È l’unione di due percorsi ottimi: dal mittente al più vicino
IS di uscita verso la zona di destinazione, quindi da questo
alla destinazione vera e propria
La prima parte del percorso (mittente – egress router) è la
stessa per tutte le destinazioni esterne o della zona di
destinazione

Prestazioni

Il routing gerarchico migliora la scalabilità della rete,
seppure in taluni casi può portare ad instradamenti non
ottimi, ma corretti

Esempio: scambio di informazioni tra B1 ed A4
Partizione di zone
Percorso dei dati

Novembre 2003
Se il link tra B1 ed B2 si interrompe, non è più disponibile
alcun percorso di ritorno, nonostante la connettività fisica
esista (attraverso A3-A2-A1)
Interruzione dei link A1-B1 e A4-B2: nessun problema
Ogni zona deve essere fortemente connessa

La caduta di un link non ne deve provocare il partizionamento
A1
A2
A3
A4
Zona A
B2
Zona B
Ingress - Egress
router
B1
Novembre 2003
Perdita dei dettagli topologici
Routing inter-dominio
Dominio B
Dominio A
A3
B2
R
A2
A1
B1
B4
R
---A2,1
A1
---A2,1
A3,1
A2
---A1,1
A3,1
A4,1
A3
A4
---- ---A1,1 A2,1
A2,1

B5

Due domini Link State
con compattamento delle
informazioni
R
---A1,2
A2,1
A3,2
A4,2
Spesso sinonimo di routing tra diverse entità
amministrative (gestori)

LS aggiuntivi in B
Unico dominio Link State

B3
A4
Due domini
Link State
Novembre 2003
Entità amministrative: Autonomous System in IP
Può includere più domini di routing
Esigenze di connettività possono passare in
secondo piano rispetto ad altre esigenze
Nuove esigenze

Economiche, amministrative, di sicurezza
R
---A*,1
Novembre 2003
Altre esigenze

Protocolli IGP ed EGP
Esigenze economiche - amministrative

Novembre 2003
Il dominio A può trarre vantaggio dal veicolare traffico
destinato a B attraverso C
Ogni gestore deve avere degli accordi per poter immettere il
traffico in un’altra rete, e questi accordi di peering possono
essere costosi
Dominio
amministrativo A
Routing esterno al
dominio (protocollo EGP)
Esigenze di sicurezza

Dominio
amministrativo C
Può essere desiderabile evitare che i dati transitino in
domini gestiti da autorità in cui non si ha fiducia
Alleggerimento del carico su questo link Æ
risparmio sull’acquisto di banda
Traffico da A a B
Dominio B
Routing interno al
dominio (protocollo IGP)
Dominio A
Dominio C
Incremento di traffico esterno sul
dominio C e necessità di nuova banda
trasmissiva sul link C - B
Dominio
amministrativo B
Redistribuzione
Novembre 2003
Soluzioni per il routing inter-dominio

Decision process
Protocolli ad hoc

Annunci dagli altri
router interni
Annunci dagli altri
router esterni
Database degli
annunci interni
Database degli
annunci esterni
Regole di
configurazione
IGP + EGP
Connettività + Policy

Novembre 2003
Far si che i miei dati non transitino nel dominio X
Dare la precedenza ai dati del dominio Y
...
Politiche
(Policy)
Processo di
decisione
Deve essere conosciuto il percorso esatto dei miei
dati verso la destinazione

È necessario conoscere la lista dei domini (Autonomous
System) attraversati
È necessario avere una completa conoscenza topologica
della rete

Database delle
destinazioni per il
protocollo di routing IGP
Database delle
destinazioni per il
protocollo di routing EGP
Annunci verso gli IS
del dominio interno
Annunci verso gli IS
degli altri domini
Il Distance Vector non è appropriato
Novembre 2003
Mascheramento del routing
Novembre 2003
Conclusioni

Dominio B

Dominio A

Peering a costo
ripartito
A
Tecniche di routing (on-line)
Rete con elevato
costo di accesso
www.yahoo.com
Algoritmi di routing (off-line)

Molto Link State su installazioni grosse, parecchio Distance
Vector su quelle piccole

Routing statico, routing isolato: usati in casi specifici

Algoritmi policy-based

A
B
Dominio C
Routing intra-dominio su Internet

B
C
Routing by Network address: la più diffusa
Label Swapping: nuovo interesse per la maggior facilità di
commutazione

Necessari per la scalabilità
In uso per il routing inter-dominio; in alcuni casi utilizzati
anche internamente al dominio
C