3. Síťová vrstva ­ Směrování
PB156: Počítačové sítě
Eva Hladká
Fakulta informatiky Masarykovy univerzity
jaro 2010
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 1 / 80
Struktura přednášky
1 Směrování obecně
2 Směrování
Základní přístupy
3 Směrovací algoritmy
4 Distribuované směrování
Distance Vector
Link State
Link State vs. Distance Vector
5 Hierarchie směrování
Původní představy
Autonomní systémy
Autonomní systémy ­ směrování
6 Multicastové směrování ­ IP Multicast
Motivace
IP Multicast
Protokoly
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 2 / 80
Směrování obecně
1 Směrování obecně
2 Směrování
Základní přístupy
3 Směrovací algoritmy
4 Distribuované směrování
Distance Vector
Link State
Link State vs. Distance Vector
5 Hierarchie směrování
Původní představy
Autonomní systémy
Autonomní systémy ­ směrování
6 Multicastové směrování ­ IP Multicast
Motivace
IP Multicast
Protokoly
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 3 / 80
Směrování obecně
Směrování obecně
Internet na L3 ­ datagramový přístup k přepínání paketů
data vyšších vrstev umísťována do datagramů
datagramy (fragmenty) putují sítí nezávisle
směrování (Routing) = proces nalezení cesty mezi dvěma
komunikujícími uzly
cesta musí splňovat určité omezující podmínky
ovlivňující faktory:
statické: topologie sítě
dynamické: zátěž sítě
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 4 / 80
Směrování obecně
Příklad reálné sítě
Obrázek: Logická topologie IP/MPLS vrstvy sítě CESNET2.
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 5 / 80
Směrování obecně
Matematický pohled
na směrování lze nahlížet jako na problém teorie grafů
síť reprezentována grafem, kde:
uzly reprezentují směrovače (identifikovány svými IP adresami)
hrany reprezentují vzájemné propojení směrovačů (linku)
ohodnocení hran = cena komunikace
cíl: nalezení minimální cesty v grafu mezi libovolnými dvěma uzly
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 6 / 80
Směrování obecně
Cena komunikace
Určení ceny (ohodnocení) linky ­ metrika:
všechny linky mají stejnou cenu (např. 1)
minimalizace ceny = minimalizace počtu skoků
nejjednodušší, nejčastěji využívané
cena linky = převrácená hodnota kapacity (1/prenosova kapacita)
10Mb linka má 100x vyšší cenu než 1Gb linka
cena linky = zpoždění linky
250ms satelitní spojení má 10x vyšší cenu než 25ms pozemní linka
cena linky = využití linky
linka s 90% využitím má 10x vyšší cenu než linka s 9% využitím
může způsobit oscilace (nezbytné tlumení)
cena linky = reálná cena (platba) za využití linky
staticky přiřazeno administrátorem
atd.
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 7 / 80
Směrování
1 Směrování obecně
2 Směrování
Základní přístupy
3 Směrovací algoritmy
4 Distribuované směrování
Distance Vector
Link State
Link State vs. Distance Vector
5 Hierarchie směrování
Původní představy
Autonomní systémy
Autonomní systémy ­ směrování
6 Multicastové směrování ­ IP Multicast
Motivace
IP Multicast
Protokoly
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 8 / 80
Směrování
Směrování
úkolem směrování je:
vyhledávat optimální směrovací trasy
kriteriem optimality je metrika
dopravit datový paket určenému adresátovi
zpravidla se nezabývá celou cestou paketu
směrovač řeší jen jeden krok ­ komu paket předat jako dalšímu
někomu ,,blíže cíli
tzv. hop-by-hop
ten pak rozhoduje, co s paketem udělat dál
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 9 / 80
Směrování
Směrování (Routing) vs. zasílání (Forwarding)
směrování
společná činnost směrovačů (globální)
proces nalezení/vytváření a údržby směrovacích tabulek
zasílání
lokální proces ­ každý směrovač samostatně
představuje proces průchodu paketů směrovačem
zaslání paketu na vybrané rozhraní směrovače (dle cílové adresy)
vyžaduje přístup ke směrovací tabulce
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 10 / 80
Směrování
Směrovací tabulky
základní datovou strukturou je směrovací tabulka (routing table)
sada ukazatelů, podle kterých se rozhoduje, co udělat s kterým paketem
obsahují cesty k ,,prefixům
počáteční IP adresa a blok
agregace záznamů ­ hledá se nejdelší prefix, který vyhovuje požadavku
existence více vyhovujících prefixů  použije se nejdelší
tzv. Longest-prefix Match Algorithm
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 11 / 80
Směrování
Problém globálního pohledu
globální znalost topologie celé sítě je problematické
je složité ji získat
když už se to podaří, není aktuální
musí být lokálně relevantní
lokální představu o topologii reprezentuje směrovací tabulka
rozpor mezi lokální a globální znalostí může způsobit
cykly (černé díry)
oscilace (adaptace na zátěž)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 12 / 80
Směrování Základní přístupy
Směrování ­ základní přístupy
Členění dle způsobu vytvoření/udržování směrovací tabulky:
statické (neadaptivní)
administrátorem ručně editované záznamy
směrovač nemůže vytvářet alternativní cesty, pokud se nastavená cesta
přeruší
jednodušší, málo flexibilní
vhodné pro statickou topologii
Otázka: Používá se v Internetu?
dynamické (adaptivní) ­ reagují na změny v síti
složité (většinou distribuované) algoritmy
(většinou) nutnost pravidelné aktualizace směrovacích tabulek
nutnost existence protokolu pro aktualizaci směrovacích tabulek
možnost dočasné nekonzistence
nezaručuje pořadí doručení
např.
centralizované ­ vše řídí centrum
izolované ­ každý sám za sebe
distribuované ­ kooperace uzlů
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 13 / 80
Směrování Základní přístupy
Dynamické směrování ­ centralizované směrování
v síti je Routing Control Center (RCC)
každý směrovač mu posílá zprávy o své situaci (stavu)
RCC informace sbírá, vypočte optimální cesty a rozešle směrovačům
jejich tabulky
výhody:
globální informace ( optimální řešení)
ulehčení práce směrovačů
nevýhody:
špatně škáluje ­ nelze využít pro velké sítě (nemožnost získání globální
informace)
pomalé
při výpadku centra se přestane aktualizovat
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 14 / 80
Směrování Základní přístupy
Dynamické směrování ­ izolované směrování
neposílají se žádné informace o stavu sítě, každý se rozhoduje sám za
sebe
příklady:
náhodná procházka ­ paket pošle do náhodně vybrané linky
vysoká robustnost
,,horký brambor (hot potatoe) ­ paket pošle do linky s nejkratší
frontou
forma náhodné procházky ( vysoká robustnost)
záplava (flooding) ­ paket pošle do všech linek kromě té, po níž přišel
enormní zátěž sítě ­ obrovská režie, nutno řešit cykly
mimořádně robustní ­ pokud cesta existuje, vždy ji najde
dokonce tu nejlepší možnou (zkouší totiž všechny)
zpětné učení (backward learning) ­ učí se z procházejících paketů
do paketu se zapisuje vzdálenost, kterou urazil
směrovač se dozví, že příchozí linkou vede cesta k odesílateli nanejvýš
dané délky
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 15 / 80
Směrování Základní přístupy
Dynamické směrování ­ distribuované směrování
směrovací informace si vyměňují sousedé či malé skupiny směrovačů
na základě periodicky šířených informací se (podle určitého algoritmu)
vypočítávají mapy sítě
mezi směrovači musí být dohoda o implementaci určitého
směrovacího algoritmu
dostatečně pružné a robustní, vhodné i pro rozlehlé sítě
standardní přístup ke směrování v síti Internet
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 16 / 80
Směrování Základní přístupy
Směrování ­ další možná členění
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 17 / 80
Směrovací algoritmy
Směrovací algoritmy ­ funkce
zprostředkovávají funkcionalitu směrování
proces vytvoření a údržby směrovacích tabulek
zahrnuje výběr komunikační cesty
vlastní doručení dat
rozdělení dle okamžiku rozhodování:
při uzavírání spojení (= vytváření okruhu)
spojované služby, virtuální kanály
při příchodu paketu
nespojované služby, datagramy
rozdělení dle místa rozhodování:
jediný uzel  centralizované algoritmy
každý uzel  distribuované algoritmy
definice přesných pravidel komunikace a formátu zpráv nesoucích
směrovací informace (pro určitý algoritmus)  směrovací protokol
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 18 / 80
Směrovací algoritmy
Směrovací algoritmy ­ požadované vlastnosti
Žádané vlastnosti směrovacího algoritmu:
správnost
jednoduchost
efektivita a škálovatelnost
minimalizace množství řídících informací ( 5% provozu!)
minimalizace velikosti směrovacích tabulek
robustnost a stabilita
nezbytný je distribuovaný algoritmus
spravedlivost (fairness)
optimálnost
,,Co je to nejlepší cesta?
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 19 / 80
Distribuované směrování
Distribuované směrování ­ základní přístupy
Třídy distribuovaných směrovacích protokolů (dle charakteru směrovací
informace):
Distance Vector (DV) ­ Bellman-Fordův algoritmus
sousední směrovače si v pravidelných intervalech či při topologické
změně (např. výpadek zařízení) vyměňují kompletní kopie svých
směrovacích tabulek
na základe obsahu přijatých updatů si pak doplňují nové informace a
inkrementují své distance vektor číslo
metrika udávající počet hopů k dané síti
čili ,,všechny informace jen svým sousedům
Link State (LS)
jednotlivé směrovače si zasílají pouze informace o stavu linek, na něž
jsou bezprostředně připojeny
udržují si tak kompletní informace o topologii dané sítě ­ zařízení jsou
si vědoma všech ostatních zařízení na síti
pak se počítá nejkratší cesta
čili ,,informace o svých sousedech všem
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 20 / 80
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector I.
směrovač si udržuje všechny známé routy v tabulce ve formě
uspořádaných trojic (N, G, D), kde:
N . . . cílová síť
G . . . adresa následujícího směrovače
D . . . vzdálenost do cílové síťě (metrika)
tabulky se upravují tak, aby se směrovalo nejkratší cestou
problémy: pomalá konvergence, příliš mnoho režijních dat
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 21 / 80
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector II.
Algoritmus
Předpoklad:
každý směrovač zná pouze cestu a cenu ke svým sousedům
Cíl:
v každém směrovači směrovací tabulka pro každý cíl
Idea:
řekni sousedům svou představu směrovací tabulky
Inicializace:
sousedé: známá cena
Distance Vector = < cil, cena >
ostatní: nekonečno
resp. hodnota definovaná jako nekonečno (pro RIP např. 16)
Aktualizace:
pokud je cesta v získaném DV zvětšená o cenu cesty k danému
sousedovi lepší než stávající uložená, aktualizuj tabulku
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 22 / 80
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector III.
Ilustrace problému pomalé konvergence
pomalá konvergence zapříčiní vznik nesprávných údajů ve směrovacích
tabulkách
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 23 / 80
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector III.
Ilustrace problému pomalé konvergence
směrovač C usoudí, že nejlepší cesta do sítě 10.4.0.0 je přes směrovač
B
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 24 / 80
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector III.
Ilustrace problému pomalé konvergence
směrovač A opraví svojí směrovací tabulku ­ chybně
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 25 / 80
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector III.
Ilustrace problému pomalé konvergence
metrika pro síť 10.4.0.0 roste do nekonečna (v rámci RIP do 16)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 26 / 80
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector III.
Ilustrace problému pomalé konvergence
Důsledek: vznik směrovací smyčky
paket pro síť 10.4.0.0 skáče mezi routery B a C
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 27 / 80
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector III.
Ilustrace problému pomalé konvergence
Řešení: dělení horizontu
směrovač nesděluje cestu zpět uzlu, od kterého se o ní dozvěděl
problém zůstává ve složitějších topologiích (navržena řada rozšíření)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 28 / 80
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector IV. ­ protokol RIP I.
hlavní představitel DV směrování
RIPv1 (RFC 1058)
RIPv2 (RFC 1723) ­ přidává např. autentizaci směrovacích informací
sítě identifikovány s využitím mechanismu CIDR
jako metrika se využívá počet hopů
přenos paketu mezi 2 sousedními směrovači má délku 1
nekonečno = 16
 nelze použít pro sítě s minimálním počtem hopů mezi libovolnými
dvěma směrovači > 15
směrovače zasílají informaci každých 30 sekund
triggered update při změně stavu hrany
časový limit 180s (detekce chyb spojení)
použití:
vhodné pro malé sítě a stabilní linky
není příliš vhodný pro redundantní sítě
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 29 / 80
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector IV. ­ protokol RIP II.
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 30 / 80
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector IV. ­ protokol RIP III.
Obrázek: RIP ­ příklad: iniciální stav tabulek.
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 31 / 80
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector IV. ­ protokol RIP IV.
Obrázek: RIP ­ příklad: finální stav tabulek.
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 32 / 80
Distribuované směrování Link State
Link State I.
směrovače si zasílají pouze informaci o stavu linek, na něž jsou
bezprostředně připojeny
získají tím kompletní mapu sítě
pak si počítají nejkratší cesty (např. s využitím Dijkstrova algoritmu)
při každé změně stavu linek
směrovače testují pouze dosažitelnost svých bezprostředních sousedů
výhoda: zaručená a rychlá konvergence, vhodné i pro rozsáhlé sítě
nevýhoda: složitější algoritmus  větší nároky na CPU a paměť směrovače
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 33 / 80
Distribuované směrování Link State
Link State II.
Algoritmus
Předpoklad:
každý směrovač zná pouze cestu a cenu ke svým sousedům
Cíl:
v každém směrovači směrovací tabulka pro každý cíl
Idea:
šíří se topologie, cesty si počítají směrovače samy
fáze 1: šíření topologie (broadcast)
fáze 2: výpočet nejkratší cesty ­ (Dijkstra)
směrovače si udržují databázi stavů linek a periodicky posílají LS
pakety svým sousedům
obsah LS paketu: identifikátor uzlu, cena spojů k sousedům, pořadové
číslo, doba platnosti
každý směrovač přeposílá LS pakety dále (kromě toho, od nějž
informaci dostal)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 34 / 80
Distribuované směrování Link State
Link State III. ­ Výpočet nejkratších cest
Dijkstrův algoritmus
,,klasický algoritmus hledaní nejkratší cesty
hledá nejkratší cesty z jednoho vrcholu do všech ostatních
Nechť
N je množina všech uzlů v grafu (síti)
l(i, j) označuje nezápornou cenu hrany (spoje (i, j))
s je aktuální (zdrojový) uzel
M množina uzlů, které již byly navštíveny
C(n) cena cesty z s do n;  pokud cesta neexistuje
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 35 / 80
Distribuované směrování Link State
Link State III. ­ Výpočet nejkratších cest
Dijkstrův algoritmus ­ pseudokód
M = {s}
for each n in N\M
C(n) = l(s,n)
while (N != M)
přidej w do M
tak, že C(w) je minimální pro všechna w z (N\M)
for each n in N\M
C(n) = min(C(n), C(w)+l(w,n))
ilustrace výpočtu: http://www.unf.edu/~wkloster/foundations/
DijkstraApplet/DijkstraApplet.htm
animace:
http://www.cse.yorku.ca/~aaw/HFHuang/DijkstraStart.html
více viz PA165: Grafy a sítě
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 36 / 80
Distribuované směrování Link State
Link State IV. ­ protokol OSPF
Open Shortest Path First
nejpoužívanější LS protokol současnosti
metrika: cena (cost)
číslo (v rozsahu 1 až 65535) přiřazené ke každému rozhraní směrovače
čím menší číslo, tím má cesta lepší metriku (bude tedy preferována)
standardně je ke každému rozhraní přiřazena cena automaticky
odvozená z šířky pásma daného rozhraní
cost = 100000000/bandwidth (bw v bps)
možno ručně měnit
rozšíření:
autentizace zpráv
směrovací oblasti ­ další úroveň hierarchie
load-balancing ­ více cest se stejnou cenou
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 37 / 80
Distribuované směrování Link State vs. Distance Vector
Link State vs. Distance Vector
Link State
Složitost:
každý uzel musí znát cenu každé
linky v sítí  O(nE) zpráv
změnu ceny některé z linek potřeba
vypropagovat na všechny uzly
Rychlost konvergence:
O(n2) alg., zasílá O(nE) zpráv
trpí na oscilace
Robustnost:
špatně fungující/kompromitovaný
směrovač může šířit nesprávné
informace jen o k němu přímo
připojených linkách
každý směrovač si přepočítává
směrovací tabulky sám za sebe 
odděleno od vlastního šíření
informací  forma robustnosti
Použití:
vhodné i pro rozsáhlé sítě
Distance Vector
Složitost:
po změně ceny některé z linek je
toto zapotřebí vypropagovat jen
nejbližsímu sousedovi; dále se
propaguje jen tehdy, pokud daná
změna znamená změnu stromu
nejkratších cest
Rychlost konvergence:
může konvergovat pomaleji než LS
problémy se směrovacími cykly,
count-to-infinity problém
Robustnost:
nesprávný výpočet je postupně šířen
sítí  může znamenat ,,zmatení
ostatních směrovačů a nesprávně
vypočtené směrovací tabulky
Použití:
vhodné jen pro menší sítě
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 38 / 80
Hierarchie směrování
1 Směrování obecně
2 Směrování
Základní přístupy
3 Směrovací algoritmy
4 Distribuované směrování
Distance Vector
Link State
Link State vs. Distance Vector
5 Hierarchie směrování
Původní představy
Autonomní systémy
Autonomní systémy ­ směrování
6 Multicastové směrování ­ IP Multicast
Motivace
IP Multicast
Protokoly
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 39 / 80
Hierarchie směrování
Kde se nyní nacházíme?
máme vybudovaný Internet
složený z mnoha internetů
umíme identifikovat jednotlivé sítě/uzly
s využitím notace CIDR
cesty ve směrovacích tabulkách agregovány
umíme směrovat data mezi sítěmi
libovolné dva uzly mohou komunikovat
pro směrování využit LS nebo DV algoritmus
Kde je problém?
obrovský rozsah Internetu  nutnost správy obrovských směrovacích
tabulek
problém se správou ­ ,,Kdo je zodpovědný za který kus sítě?
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 40 / 80
Hierarchie směrování Původní představy
Původní představy aneb Jak běžel ,,směrovací čas I.
v počátcích velmi malé sítě
každý počítač na síti zná cestu ke všem ostatním
aneb ,,každý uzel zná celý Internet
pro rozsáhlejší sítě neúnosné (rozsah tabulek, udržování vzájemné
konzistence)
přesun směrovací znalosti na hraniční uzly sítí (brány/směrovače)
aneb ,,každá brána zná celý Internet
pro rozsáhlejší sítě stále neúnosné (rozsah tabulek, udržování vzájemné
konzistence)
 hierarchické členění Internetu
každá brána zná cesty jen do k ní přidružených podsítí (bezprostřední
okolí); pro ostatní využita implicitní (default) brána
lokální působnost směrovacích informací (menší rozsah tabulek, jen
lokální udržování vzájemné konzistence)
na nejvyšší úrovni (jediná) páteřní síť
páteřní brány musí mít ,,úplnou znalost celého Internetu
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 41 / 80
Hierarchie směrování Původní představy
Původní představy aneb Jak běžel ,,směrovací čas II.
nedostatky prvotního návrhu hierarchického členění:
organizace předávání směrovacích informací páteřním branám
,,Jak je propagovat ze ,,zanořených sítí obecně náležejících různým
organizacím?
nutnost využívání jednotných mechanismů směrování v rámci celé sítě
včetně stejné metriky
 rozšíření hierarchického členění na koncepci tzv. autonomních
systémů (AS)
základní myšlenka: vzájemně propojené sítě, které spadají pod
společnou správu, budou tvořit jediný autonomní systém, za který plně
odpovídá jeho provozovatel
zůstává nutnost jednotného způsobu vzájemného předávání
směrovacích informací mezi jednotlivými autonomními systémy
 v rámci svého AS má každý možnost zajistit si přenos a aktualizaci
směrovacích údajů podle svého, ale navenek musí všichni postupovat
jednotně
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 42 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy
Autonomní systémy
cílem rozdělení Internetu na autonomní systémy je
snížení směrovací režie
jednodušší směrovací tabulky, snížení množství vyměňovaných
směrovacích informací, atp.
zjednodušení správy celé sítě
správa jednotlivých internetů různými organizacemi
autonomní systémy = domény
každému AS/doméně přiřazen 16bitový identifikátor
Autonomous System Number (ASN) ­ RFC 1930
přiřazuje organizace ICANN (Internet Corporation For Assigned Names
and Numbers)
odpovídají administrativním doménám
sítě a směrovače uvnitř jednoho AS spravovány jednou organizací
např. CESNET, PASNET, . . .
dělení v závislosti na způsobu připojení AS do sítě:
Stub AS
Multihomed AS
Transit AS
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 43 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy
Autonomní systémy ­ Stub AS
autonomní systém A je tzv. stub AS
je připojen pouze k jednomu dalšímu AS
směrovač A (tzv. hraniční směrovač) je v rámci AS A výchozí
směrovač pro všechny sítě ležící mimo AS A
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 44 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy
Autonomní systémy ­ Multihomed a Transit AS
autonomní systém B je
multihomed AS, pokud je připojen k nejméně dvěma dalším AS, mezi
kterými však neumožňuje přenášení provozu
transit AS, pokud je připojen k nejméně dvěma dalším AS, mezi
kterými umožňuje přenášení provozu (skrze své LANs)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 45 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy ­ směrování
Autonomní systémy ­ směrování I.
oddělené směrování z důvodů škálovatelnosti
intradoménové ­ interior routing
směrování uvnitř AS
plně pod kontrolou správce AS
tzv. Interior Gateway Protocols (IGP) (např. RIP, OSPF)
interdoménové/mezidoménové ­ exterior routing
směrování mezi AS
tzv. Exterior Gateway Protocols (EGP) (např. EGP, BGP-4)
nutná spolupráce interior a exterior směrovacích protokolů
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 46 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy ­ směrování
Autonomní systémy ­ směrování II.
interní směrovače (směrovače uvnitř AS)
znají cestu do všech podsítí uvnitř AS
mohou využít implicitní (default) cesty
skrze hraniční směrovače
hraniční směrovače (Border Routers)
sumarizují a zveřejňují interní cesty
aplikují směrovací ,,pravidla (policy)
jádro sítě nepoužívá implicitní cesty
 směrovače musí znát cesty ke všem sítím
Proč rozlišovat mezi směrováním uvnitř AS a mezi AS?
uvnitř AS hraje hlavní roli výkon
mezi AS hrají hlavní roli politiky (typicky jde o peníze) a škálovatelnost
(velikosti tabulek)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 47 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy ­ směrování
Autonomní systémy ­ mezidoménové směrování
AS1 propojen s AS2 a AS3
směrovací ,,pravidla (policies) AS1 mohou zakazovat, aby se v
případě výpadku linky mezi AS2 a AS3 směrovalo mezi AS2 a AS3
skrze AS1
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 48 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy ­ směrování
Autonomní systémy ­ mezidoménové směrování
Směrovací pravidla
volba cesty není nezávislá na lokálních požadavcích
obchodní rozhodnutí
lokální rozhodnutí definují
výběr cesty
zveřejnění interních podsítí
důsledky:
kombinace nejlepších lokálních pravidel nemusí představovat globální
optimum
asymetrie cest
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 49 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy ­ směrování
Autonomní systémy ­ mezidoménové směrování
Směrovací pravidla ­ ilustrace I.
Předpokládejme, že AS Z chce oznámit AS T cestu Z  Y  X
tato cesta může být AS T akceptována jen tehdy, pokud AS Y
umožňuje přenos jeho provozu
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 50 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy ­ směrování
Autonomní systémy ­ mezidoménové směrování
Směrovací pravidla ­ ilustrace II.
jestliže AS Y neumožní přenos provozu AS T, ale umožní přenos
provozu AS X, budou data mezi AS T a AS X přenášena asymetricky
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 51 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy ­ směrování
Mezidoménové směrování ­ protokol EGP I.
Exterior Routing Protocol
první protokol mezidoménového směrování (navržen v roce 1983)
využívá DV přístup
distance vektory kombinují cesty a pravidla
cílem dosažitelnost, nikoliv efektivita
navržen pro stromovou strukturu Internetu
přílišné zjednodušení
nepodporuje redundanci, neumí se vypořádat s cykly
 již se nepoužívá
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 52 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy ­ směrování
Mezidoménové směrování ­ protokol EGP II.
Obrázek: Představa Internetu podle EGP.
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 53 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy ­ směrování
Mezidoménové směrování ­ BGP I.
Border Gateway Protocol
aktuálně verze 4 (BGP-4)
navržen v důsledku růstu Internetu a požadavků na podporu
komplexnějších topologií
podporuje redundantní topologie, vypořádá se s cykly
využívá Path Vector směrování
nevyměňují se ceny cest, ale popis celých cest zahrnující všechny skoky
umožňuje definici pravidel směrování
pracuje nad spolehlivým protokolem (TCP)
používá CIDR pro agregaci cest
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 54 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy ­ směrování
Mezidoménové směrování ­ BGP II.
Obrázek: Představa Internetu podle BGP.
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 55 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy ­ směrování
Mezidoménové směrování ­ BGP III.
Path Vector I.
Path Vector (PV)
obdoba DV
posílají se celé cesty (ne jen koncové uzly)
snadná detekce cyklů
umožňuje definici pravidel (přátelské vs. nepřátelské AS)
kratší cesty preferovány (pokud ,,policy nerozhodne jinak)
nepoužívá žádnou metriku, řeší se pouze dostupnost
důsledek: není nutné, aby všechny AS využívaly stejnou metriku
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 56 / 80
Hierarchie směrování Autonomní systémy ­ směrování
Mezidoménové směrování ­ BGP III.
Path Vector II.
Distance Vector přístup: C je vzdáleno 2 hopy od A
Path Vector přístup: cesta z AS1 do AS3 vede skrze AS2
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 57 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast
1 Směrování obecně
2 Směrování
Základní přístupy
3 Směrovací algoritmy
4 Distribuované směrování
Distance Vector
Link State
Link State vs. Distance Vector
5 Hierarchie směrování
Původní představy
Autonomní systémy
Autonomní systémy ­ směrování
6 Multicastové směrování ­ IP Multicast
Motivace
IP Multicast
Protokoly
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 58 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast Motivace
Skupinová komunikace
Výzva: způsob zasílání stejných zpráv skupině koncových stanic
Příklady reálného světa:
Televize či rozhlas, informace od zdroje k dynamické skupině
Přednášející x auditorium, informace od zdroje ke skupině příjemců
s ojedinělou zpětnou vazbou
Pracovní porada, informace od více zdrojů k více příjemcům
Moderovaná diskuze, existence rolí ve skupině
. . .
Skupina se liší počtem členů, dynamikou, vzdáleností, aktivitou členů . . .
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 59 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast Motivace
Skupinová komunikace v síti
Obdoba předchozího.
Data jsou od zdroje přenášena ke skupině příjemců
Původní dvoubodová komunikace - vícebodová komunikace
Nutno zajistit replikaci dat a jejich doručení
Pokud by replikace byla součástí aplikace, musela by každá aplikace
obsahovat replikační modul. Proto je lepší řešit replikaci a směrování dat
ve skupině odděleně od aplikace.
IP Multicast
Virtuální sítě
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 60 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast Motivace
Skupinová komunikace v síti ­ Unicast vs. Multicast
Obrázek: Doručení dat skupině příjemců ­ Unicast vs. Multicast
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 61 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast Motivace
Příklady skupinové komunikace v síti
Streamované video vysílané ve smyčce
Nedefinovaně mnoho příjemců
Šířka pásma: jednotky Kb/s až Mb/s
Kvalita přenosu
Data produkovaná přístrojem (např. LHC)
Definovaně mnoho příjemců
Velké objemy dat po dlouhou dobu
Spolehlivé doručení
Videokonference (např. nekomprimovaná HD videokonference)
Omezeny počet příjemců
Komunikace každý s každým
Šířka pásma: stovky Kb/s až Gb/s
Nízká latence (reálný čas)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 62 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast IP Multicast
IP Multicast ­ úvod
Klasické řešení skupinové komunikace v síti.
Každým spojem nejvýše jedna kopie dat
Vlastnost sítě (hop by hop, nikoliv end-to-end služba)
Doručení nezaručené (best effort, UDP, skupinová adresa)
Rozsah šíření omezen TTL (Time To Live) paketů
Jak identifikovat skupinu?
 multicastová IP adresa
IPv4: třída D (224.0.0.0 ­ 239.255.255.255)
IPv6: prefix ff00::/8
Dva základní přístupy k multicastovému směrování:
Source Based Tree
Shared Tree (Core Based Tree)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 63 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast IP Multicast
IP Multicast ­ komunikující strany
Vysílající:
každý může vysílat (pokud zná multicastovou/skupinovou adresu)
stačí zasílat pakety na skupinovou adresu
vysílajících je proměnný počet
může, ale nemusí být členem skupiny
Přijímající:
žádný, jeden, více
kdokoliv se může přidat či může opustit skupinu
může patřit do více skupin současně
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 64 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast IP Multicast
IP Multicast ­ identifikace skupiny příjemců
Obrázek: Identifikace příjemců ­ datagram zaslaný do multicastové skupiny je
doručen všem členům skupiny.
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 65 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast IP Multicast
Source Based Tree vs. Core Based Tree
Source Based Tree Core Based Tree
Aktivita shora od zakládajícího
Periodický broadcast
Ořezávání větví bez členů
Omezení šířky ­ TTL
Pro úzce lokalizované skupiny
Nevýhoda: režie, záplava
broadcasty
Protokoly: DVMRP (RIP),
MOSPF (OSPF), PIM­DM
Ustaveno jádro ­ body setkání
(MP)
Zájemce o skupinu kontaktuje
MP
Aktivita zdola od příjemce
Redukce broadcastu - lépe
škáluje
Nevýhoda: závislost na
dostupnosti jádra
Protokoly: CBT, PIM­SM
(protokolově nezávislé)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 66 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast IP Multicast
Source Based Tree
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 67 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast IP Multicast
Source Based Tree
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 68 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast IP Multicast
Source Based Tree
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 69 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast IP Multicast
Source Based Tree
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 70 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast IP Multicast
Core Based Tree
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 71 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast IP Multicast
Core Based Tree
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 72 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast IP Multicast
Core Based Tree
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 73 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast IP Multicast
IP Multicast ­ vlastnosti
Pozitivní:
,,Nekonečná škálovatelnost
Nezatěžuje síť násobnými kopiemi
Negativní:
Problematické účtování
Problém se zajištěným doručením
Snadný terč útoku (DoS, DDoS)
Absence kontroly členství (nelze zjistit přijímající)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 74 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast Protokoly
IP Multicast ­ protokoly
Správa skupiny:
pouze v rámci LAN
Internet Group Management Protocol (IGMP)
Směrování:
mezi multicastovými směrovači
Source Based Tree ­ DVMRP (RIP), MOSPF (OSPF), PIM­DM
Core Based Tree ­ CBT, PIM­SM
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 75 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast Protokoly
IP Multicast ­ správa skupiny ­ IGMP
IGMP (RFC 1112), IGMPv2 (RFC 2236)
správa členství ve skupině
spravuje informace o členech skupiny (pouze v rámci LAN)
pouze lokální působnost
síť a k ní přidružený multicastový směrovač
typy zpráv:
přihlášení ke skupině (Membership Report)
odhlášení ze skupiny (Leave Report)
monitoring skupiny (Query)
např. dotazy směrovače na zájem uzlů setrvat ve skupině
(řeší odstranění náhle vypadlých uzlů)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 76 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast Protokoly
IP Multicast ­ správa skupiny ­ IGMP II.
Obrázek: Ilustrace lokální působnosti IGMP protokolu.
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 77 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast Protokoly
IP Multicast ­ Source Based Tree ­ protokoly
Distance Vector Multicast Routing Protocol (DVMRP)
rozšíření unicastového DV směrování, využívá informací získaných RIP
protokolem
3 přístupy pro budování stromu:
Reverse Path Forwarding (RPF)
Reverse Path Broadcasting (RPB)
Reverse Path Multicasting (RPM)
Multicast Open Shortest Path First (MOSPF)
rozšíření unicatového OSPF protokolu
využívá vytvořené znalosti topologie OSPF protokolem
všechny uzly počítají strom cest z kořene, kterým je zdroj
multicastového vysílání
Protocol Independent Multicast ­ Dense Mode (PIM-DM)
využit v prostředí, kdy je pravděpodobné, že většina směrovačů bude
participovat na multicastování
podobný DVMRP protokolu
využívá RPF přístup
rozdíl: ke své činnosti nevyžaduje unicastový protokol (tj. RIP)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 78 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast Protokoly
IP Multicast ­ Core Based Tree ­ protokoly
Core-Based Tree (CBT)
zdroj jako kořen budovaného stromu
AS rozdělen na regiony, pro každý region zvolen ,,bod setkání (tzv.
Rendezvous Router)
 vytvoření jádra
uzly (v případě zájmu) kontaktují ,,body setkání
budování stromu od listů
Protocol Independent Multicast ­ Sparse Mode (PIM-SM)
využit v prostředí, kdy je malá pravděpodobnost, že většina
směrovačů bude participovat na multicastování
podobný CBT protokolu
také využívá Rendezvous Points (RPs)
oproti CBT si buduje záložní RPs pro účely jejich výpadků
v případě potřeby (= mnoho příjemců vzdálených od RP) je schopen
přepnout do strategie Source-based Tree
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 79 / 80
Multicastové směrování ­ IP Multicast Protokoly
IP Multicast ­ příklad reálné sítě (Cesnet2)
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 80 / 80