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4: Livello Network 4-31

Il livello Network in Internet

tabelladi routing

Funzioni del livello Network negli host e router:

Protocolli di Routing•selezione percorso•RIP, OSPF, BGP

protocollo IP•convenzioni indirizzamento•formato datagram•convenzioni gestione pacchetto

protocollo ICMP•notifica errori•“segnalazione” tra router

Livello Transport: TCP, UDP

Livello Link

Livello fisico

LivelloNetwork


Indirizzi IP: introduzione❒ indirizzo IP:

identificatore di 32-bit per l’interfaccia di rete di host e router

❒ interfaccia di rete:connessione tra host, router ed il canale fisico

❍ i router, tipicamente hanno interfacce multiple

❍ gli host possono avere interfacce multiple

❍ gli indirizzi IP sono associati alle interfacce e NON agli host o ai router

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001

223 1 11


Indirizzi IP❒ indirizzo IP:

❍ parte rete (bit più a sinistra)

❍ parte host (bit più a destra)

❒ Cos’è una rete ? (dal punto di vista dell’indirizzo IP)

❍ dispositivi d’interfaccia con la stessa parte rete dell’indirizzo IP

❍ possono fisicamente raggiungere l’un l’altra senza l’intervento di router

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

rete di 3 reti IP(per gli indirizzi IP che iniziano con 223, i primi 24 bit sono l’indirizzo della rete)

LAN


Indirizzi IPCome trovare le reti?❒ Distaccare ogni

interfaccia dagli host, router

❒ Creare “isole” di reti isolate

223.1.1.1

223.1.1.3

223.1.1.4

223.1.2.2223.1.2.1

223.1.2.6

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

223.1.1.2

223.1.7.0

223.1.7.1223.1.8.0223.1.8.1

223.1.9.1

223.1.9.2

Sistema interconnesso composto da sei reti


Indirizzi IP

0network host

10 network host

110 network host

1110 multicast address

A

B

C

D

classe1.0.0.0 a127.255.255.255128.0.0.0 a191.255.255.255192.0.0.0 a223.255.255.255

224.0.0.0 a239.255.255.255

32 bit

data la nozione di “rete” riesaminiamo gli indirizzi IP:

indirizzamento “classful”:


Indirizzi IP: CIDR❒ indirizzamento classful:

❍ uso inefficiente dello spazio degli indirizzi, esaurimento dello spazio di indirizzamento

❍ e.g., una rete di classe B ha la possibilità di allocare indirizzi per 65K host anche se solo 2K host sono presenti nella rete

❒ CIDR: Classless InterDomain Routing❍ la porzione rete dell’indirizzo di lunghezza arbitraria❍ formato indirizzo: a.b.c.d/x, dove x è il numero di bit nella

porzione rete dell’indirizzo

11001000 00010111 00010000 00000000

parterete

partehost

200.23.16.0/23


Indirizzi IP: come averne uno?

Host (porzione host dell’indirizzo):❒ codificato dall’amministratore del sistema in un file❒ DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: ottiene

dinamicamente un indirizzo:❍ l’host manda un messaggio broadcast “DHCP discover”❍ il server DHCP risponde con un messaggio “DHCP offer”❍ l’host richiede un indirizzo IP con un “DHCP request”❍ il server DHCP spedisce un indirizzo IP con un “DHCP ack”


Indirizzi IP: come averne uno?Rete (porzione rete dell’indirizzo):❒ si ottiene una porzione allocata dello spazio

di indirizzi del ISP:blocco ISP 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/20

Organizzaz. 0 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/23

Organizzaz. 1 11001000 00010111 00010010 00000000 200.23.18.0/23

Organizzaz. 2 11001000 00010111 00010100 00000000 200.23.20.0/23 ... ….. …. ….

Organizzaz. 7 11001000 00010111 00011110 00000000 200.23.30.0/23


Indirizzamento gerarchico: aggregazione di cammini

“Spediscimi qualunque informazionecon indirizzo cheinizia con200.23.16.0/20”

200.23.16.0/23

200.23.18.0/23

200.23.30.0/23

Fly-By-Night-ISP

Organizzazione 0

Organizzazione 7Internet

Organizzazione 1

ISPs-R-Us

“Spediscimi qualunque informazionecon indirizzo cheinizia con199.31.0.0/16”

200.23.20.0/23Organizzazione 2

...

...

L’indirizzamento gerarchico permette un’efficiente advertisingdelle informazioni di routing:


Indirizzamento gerarchico: cammini più specifici

ISPs-R-Us ha un cammino più specifico verso Organizzazione 1

““Spediscimi qualunque informazionecon indirizzo cheinizia con200.23.16.0/20”

200.23.16.0/23

200.23.18.0/23

200.23.30.0/23

Fly-By-Night-ISP

Organizzazione 0

Organizzazione 7Internet

Organizzazione 1

ISPs-R-Us “Spediscimi qualunque informazionecon indirizzo cheinizia con199.31.0.0/16o 200.23.18.0/23”

200.23.20.0/23Organizzazione 2

...

...


Indirizzi IP: l’ultimo pezzo...

Domanda: Come ottiene un ISP un blocco d’indirizzi?

Risposta: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers❍ alloca gli indirizzi❍ gestisce il DNS❍ assegna i nomi dei domini, risolve le dispute


Portare un datagram da sorgente a destinazione

datagram IP:

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

A

BE

campivari

ind. IPsorg.

ind. IPdest dati

❒ il datagram rimane intatto mentre viaggia da sorgente a destinazione

❒ ci interessano i campi indirizzo

Rete Dest. pros.router Nhops223.1.1 1223.1.2 223.1.1.4 2223.1.3 223.1.1.4 2

tabella di routing in A



223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

A

BE

Inizio in A dato un datagramindirizzato a B:

❒ ricerca l’indirizzo di rete di B❒ trova che B è sulla stessa rete

di A❒ il livello link spedirà il datagram

direttamente a B all’interno di un’unità dati (frame) del livello link

❍ B ed A sono connessi direttamente

223.1.1 1223.1.2 223.1.1.4 2223.1.3 223.1.1.4 2

campivari 223.1.1.1 223.1.1.3 dati Rete Dest. pros.router Nhops



223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

A

BE

223.1.1 1223.1.2 223.1.1.4 2223.1.3 223.1.1.4 2

Inizio in A, destinazione E:❒ ricerca l’indirizzo di rete di E❒ E su una rete differente

❍ A, E non connessi direttamente

❒ tabella di routing: il prossimo router verso E è 223.1.1.4

❒ il livello link spedisce il datagram al router 223.1.1.4 dentro un frame

❒ il datagram arriva a 223.1.1.4 ❒ continua……

campivari 223.1.1.1 223.1.2.3 dati Rete Dest. pros.router Nhops



223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

A

BE

Arrivo a 223.1.4, destinato a 223.1.2.2

❒ ricerca l’indirizzo di rete di E❒ E sulla stessa rete

dell’interfaccia 223.1.2.9❍ router ed E direttamente

connessi❒ il livello link spedisce il

datagram a 223.1.2.2 in un frame attraverso l’interfaccia 223.1.2.9

❒ il datagram arriva a 223.1.2.2

campivari 223.1.1.1 223.1.2.3 dati destinaz router Nhops interfaccia

223.1.1 - 1 223.1.1.4223.1.2 - 1 223.1.2.9223.1.3 - 1 223.1.3.27

Rete Pross.


Formato del datagram IP

ver length

32 bits

dati(lunghezza variabile,

tipicamente un segmento TCP o UDP)

16-bit identifierInternetchecksum

time tolive

32 bit source IP address

numero versione protocollo IP

lunghezza header(byte)

max numerodi hop rimanenti

(decrementato ad ogni router)

perframmentazione/ricostruzione

lunghezza totaledel datagram (byte)

protocollo di livello superiore al quale recapitare i dati

e.g., TCP=6, UDP=17.Lista completa

in RFC 1700

head.len

type ofservice

“tipo” di dati flgs fragmentoffset

upperlayer

32 bit destination IP address

Options (if any) E.g. timestamp,memorizza il camminosvolto,specifica lalista dei routerda visitare.


Frammentazione & Ricostruzione IP❒ i canali della rete hanno un

MTU (maximum transfer size) – il più grande possibile frame a livello link.

❍ tipi di canali differenti, MTU differenti

❒ un grande datagram IP diviso (“frammentato”) all’interno della rete

❍ un datagram diventa alcuni datagram

❍ “ricostruito” solo alla destinazione finale

❍ i bit dell’header IP usati per identificare ed ordinare frammenti correlati

frammentazione: in: un grande datagramout: 3 datagram più piccoli

ricostruzione


Frammentazione & Ricostruzione IPID=x

offset=0

frag flag=0

lungh.=4000

ID=x

offset=0

fragflag=1

length=1500

ID=x

offset=1480

fragflag=1

length=1500

ID=x

offset=2960

fragflag=0

length=1040

Un grande datagram diventaalcuni datagram più piccoli


ICMP: Internet Control Message Protocol

❒ usato da host, router e gateway per comunicarsi informazioni a livello rete

❍ notifica errori: unreachable host, network, port, protocol

❍ echo request/reply (usato da ping)

❒ livello rete “sopra” IP:❍ i messaggi ICMP sono

trasportati in datagrammi IP

❒ messaggio ICMP: tipo, codice più i primi 8 byte di un datagram IP che causa un errore

Tipo Codice Description0 0 echo reply (ping)3 0 dest. network unreachable3 1 dest host unreachable3 2 dest protocol unreachable3 3 dest port unreachable3 6 dest network unknown3 7 dest host unknown4 0 source quench (congestion

control - not used)8 0 echo request (ping)9 0 route advertisement10 0 router discovery11 0 TTL expired12 0 bad IP header


Instradamento in Internet

❒ L’Internet Globale consiste di Autonomous Systems(AS) interconnessi tra loro:

❍ Stub AS: piccola azienda❍ Multihomed AS: grande azienda (no transit)❍ Transit AS: provider

❒ Instradamento a due livelli: ❍ Intra-AS: l’amministratore è responsabile della scelta❍ Inter-AS: standard unico


Gerarchia di AS in InternetIntra-AS border (exterior gateway) routers

Inter-AS interior (gateway) routers


Instradamento Intra-AS

❒ Noto anche come Interior Gateway Protocols (IGP)❒ IGP più comuni:

❍ RIP: Routing Information Protocol

❍ OSPF: Open Shortest Path First

❍ IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (Cisco)


RIP ( Routing Information Protocol)

❒ Algoritmo di tipo Distance vector❒ Incluso nella distribuzione BSD-UNIX nel 1982❒ Metrica di distanza: # di hops (max = 15 hop)❒ Distance vector: scambiati ogni 30 secondi attraverso

un Response Message (detto anche advertisement)❒ Ogni advertisement: cammino per fino a 25 reti

destinazione


RIP (Routing Information Protocol)

Rete destinazione Prossimo router Num.di hop per dest.w A 2y B 2z B 7x -- 1…. …. ....

w x y

z

A

C

D B

Tabella di routing in D


RIP: guasto di un canale e recupero

Se non si riceve un advertisement dopo 180 sec --> il canale vicino viene dichiarato “morto”❍ i cammini attraverso il vicino sono invalidati❍ nuovi advertisement spediti ai vicini❍ i vicini, a loro volta, spediscono nuovi advertisement

(se le tabelle sono cambiate)❍ l’informazione sul guasto di un canale si propaga

velocemente a tutta la rete❍ poison reverse usato per impedire i cicli ping-pong

(distanza infinita = 16 hop)


Elaborazione della tabella in RIP

❒ le tabelle di routing RIP gestite da processi a livello application chiamato routed (demone)

❒ gli advertisements spediti in pacchetti UDP (porta 520), ripetuti periodicamente


Esempio di tabelle RIP

Router: giroflee.eurocom.fr (comando netstat –rn)

❒ Tre reti di classe C (LAN) connesse❒ Il router conosce solo la strada per le LAN connesse❒ Il router default usato per le altre destinazioni❒ Indirizzo di instradamento multicast: 224.0.0.0❒ Interfaccia loopback (per debugging)

Destination Gateway Flags Ref Use Interface -------------------- -------------------- ----- ----- ------ ---------127.0.0.1 127.0.0.1 UH 0 26492 lo0 192.168.2. 192.168.2.5 U 2 13 fa0 193.55.114. 193.55.114.6 U 3 58503 le0 192.168.3. 192.168.3.5 U 2 25 qaa0 224.0.0.0 193.55.114.6 U 3 0 le0 default 193.55.114.129 UG 0 143454


OSPF (Open Shortest Path First)

❒ “open”: pubblicamente disponibile❒ Usa un algoritmo di tipo Link State

❍ disseminazione di pacchetti LS❍ Mappa della topologia ad ogni nodo❍ Calcolo del cammino usando l’algoritmo di Dijkstra

❒ l’ advertisement OSPF contiene informazioni per ogni router connesso

❒ Gli advertisements vengono disseminati all’intero AS (attraverso il flooding)


Aspetti “avanzati” di OSPF (non in RIP)

❒ Sicurezza: tutti i messaggi OSPF sono autenticati (per impedire intrusioni); si usano connessioni TCP

❒ Cammini con lo stesso costo multipli sono consentiti (solo un cammino in RIP)

❒ Per ogni canale,metriche di costo multiple per TOS differenti (e.g., costo di canale satellitare basso per best effort; alto per real time)

❒ Supporto per unicast e multicast integrato: ❍ Multicast OSPF (MOSPF) usa lo stesso database per la

topologia di OSPF❒ OSPF gerarchico in domini grandi.


OSPF gerarchico


OSPF gerarchico

❒ Gerarchia a due livelli: area locale, backbone.❍ advertisement sullo stato dei canali solo nell’area ❍ ogni nodo ha una topologia dell’area dettagliata;

consoce solo la direzione (cammino più breve) verso reti in altre aree.

❒ Area border routers: “riassumono” le distanze verso reti nella propria area, pubblicizzano ad altri Area Border routers.

❒ Backbone routers: eseguono il routing OSPF limitatamente al backbone.

❒ Boundary routers: si connettono ad altri AS.


IGRP (Interior Gateway Routing Protocol)

❒ proprietario CISCO; successore di RIP (metà 80)❒ Distance Vector, come RIP❒ diverse metriche di costo (ritardo, banda,

affidabilità, carico ecc.)❒ usa TCP per scambiare informazioni di

aggiornamento sul routing❒ Routing privo di cicli (loop-free) usando

Distributed Updating Algorithm (DUAL)


Inter-AS routing


Routing inter-AS in Internet : BGP

❒ BGP (Border Gateway Protocol): lo standard de facto

❒ Protocollo Path Vector:❍ simile ai protocolli Distance Vector❍ ogni Border Gateway trasmette in broadcast ai

vicini (pari) un intero cammino (i.e, sequenza di AS) verso la destinazione

❍ e.g., Gateway X può spedire il suo cammino verso la destinazione Z:

Path (X,Z) = X,Y1,Y2,Y3,…,Z



Supponiamo: gateway X spedisce il suo cammino al gateway pari W

❒ W può, o meno, selezionare il cammino offero da X❍ costo, politica (non instradare attraverso AS

concorrenti), motivi legati alla prevenzione di cicli.❒ Se W selezione il cammino offerto da X, allora:

Path (W,Z) = w, Path (X,Z)❒ Nota: X può controllare il traffico in ingresso

controllando i propri advertisement ai pari:❍ e.g., non si vuole instradare traffico verso Z -> non

pubblicizzare alcun cammino verso Z



❒ messaggi BGP scambiati usando TCP.❒ messaggi BGP:

❍ OPEN: apre una connessione TCP con un pari ed autentica il mittente

❍ UPDATE: pubblicizza un nuovo cammino (o ne ritira uno vecchio)

❍ KEEPALIVE mantiene una connessione viva in assenza di UPDATE; inoltre, fornisce un ACK a richieste di OPEN

❍ NOTIFICATION: notifica errori in messaggi preceenti; usato anche per chiudere una connessione


Perché diversi Intra-AS e Inter-AS routing ?

Politica:❒ Inter-AS: l’amministratore vuole il controllo su come

il suo traffico viene instradato e su chi instrada attraverso la sua rete.

❒ Intra-AS: amministratore unico, nessuna decisione politica è necessaria

Scaling:❒ il routing gerrachico fa risparmiare sulle dimensioni

delle tabelle di routing, il traffico per l’aggiornamento si riduce

Prestazioni:❒ Intra-AS: può focalizzarsi sulle prestazioni❒ Inter-AS: la politica può prevalere sulle prestazioni


Panoramica Architettura di un RouterDue funzioni chiave del router:❒ eseguire gli algoritmi/protocolli di routing (RIP,

OSPF, BGP)❒ commutare i datagrams dai canali in ingresso ai canali

d’uscita


Funzioni delle porte d’ingresso

Commutazione Decentralizzata:❒ data la destinazione del datagram,

ricerca della porta d’uscita usando la tabella di routing nella memoria della porta d’ingresso

❒ obiettivo: completare l’elaborazione della porta d’ingresso alla “velocità del canale”

❒ accodamento: se i datagram arrivano più rapidamente della velocità di instradamento nella switch fabric

livello fisico:ricezione di bit

livello link:e.g., Ethernet


Accodamento nelle porte d’ingresso❒ La switch fabric è più lenta della combinazione delle

porte d’ingresso -> l’accodamento può avvenire nelle code d‘ingresso

❒ Blocco Head-of-the-Line (HOL) : datagram accodati in testa ad una coda impediscono agli altri di passare avanti

❒ ritardo di accodamento e perdite a causa dell’overflow delle code d’ingresso


Tre tipi di switching fabric


Switching attraverso la MemoriaRouter della prima generazione:❒ pacchetto copiato dall’unica CPU del sistema❒ velocità limitata dalla banda della memoria (due attraversamenti del bus per ogni datagram)

InputPort

OutputPort

Memory

System Bus

Router Moderni:❒ un processore della porta d’ingresso effettua la ricerca e copia in memoria

❒ Cisco Catalyst 8500


Switching attraverso Bus

❒ datagram dalla memoria della porta d’ingresso verso la memoria della porta d’uscita attraverso un bus condiviso

❒ contesa del bus: velocità di commutazione limitata dalla banda del bus

❒ bus a 1 Gbps, Cisco 1900: velocità sufficiente per router d’accesso o di aziende (non per reti regionali o backbone)


Switching attraverso una rete d’interconnessione

❒ superare le limitazioni della banda del bus❒ reti di Banyan, altre reti d’interconnessione

inizialmente sviluppate per connettere i processori di un sistema multiprocessore

❒ Progetto avanzato: frammentazione di datagram in celle di lunghezza fissa, commutazione delle celle attraverso la switching fabric.

❒ Cisco 12000: commuta Gbps attraverso la rete d’interconnessione


Porte d’uscita

❒ Bufferizzazione necessaria quando i datagram arrivano dalla switching fabric più velocemente di quanto si possa trasmetterli

❒ Disciplina di Scheduling selezione tra i datagram in coda quello da trasmettere


Accodamento alle porte d’uscita

❒ bufferizzazione quando la velocità d’arrivo attraverso la switching fabric eccede la velocità del canale in uscita

❒ ritardo d’accodamento e perdite dovute all’overflow dei buffer delle porte d’uscita

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