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 / 32
Struktura přednášky
1 Směrování obecně
2 Směrování
Základní přístupy
3 Směrovací algoritmy
4 Distribuované směrování
Distance Vector
Link State
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 2 / 32
Směrování obecně
1 Směrování obecně
2 Směrování
Základní přístupy
3 Směrovací algoritmy
4 Distribuované směrování
Distance Vector
Link State
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 3 / 32
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 / 32
Směrování obecně
Příklad reálné sítě
Obrázek: Logická topologie IP/MPLS vrstvy sítě CESNET2.
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 5 / 32
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 / 32
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 / 32
Směrování
1 Směrování obecně
2 Směrování
Základní přístupy
3 Směrovací algoritmy
4 Distribuované směrování
Distance Vector
Link State
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 8 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
Směrování Základní přístupy
Směrování ­ další možná členění
Eva Hladká (FI MU) 3. Síťová vrstva ­ Směrování jaro 2010 17 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
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 / 32
Distribuované směrování Distance Vector
Distance Vector IV. ­ protokol RIP
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 / 32
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 30 / 32
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 31 / 32
Distribuované směrování Link State
Link State III. ­ 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 32 / 32