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UNESP - IBILCE - SJRP - Curso de Redes de Computadores Capítulo 4

Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 1

unesp - IBILCE - SJRP

1

Curso de Redes de Computadores

Adriano Mauro Cansian

[email protected]

Capítulo 4 Camada de Rede


2

Capítulo 4: Camada de Rede Metas: q  Entender os princípios

em que se fundamentam os serviços de rede: §  Roteamento §  Escalabilidade. §  Implementação na

Internet.

Veremos: q  Serviços da camada de rede. q  Como funciona um roteador. q  Endereços IP. q  Princípio de roteamento. q  Roteamento hierárquico.

§  AS

q  Protocolos de roteamento da Internet. §  Dentro de um domínio. §  Entre domínios




3

Funções da camada de rede (1) q Prover transporte de pacotes fim-a-fim.

§  Ligar hosts com hosts. •  Lembrar do exemplo dos primos que moram em casas em

estados diferentes e querem trocar cartas entre si. –  Analogia com o correio e carteiro que roteia as cartas

q Exigências que devem ser atendidas: §  Suportar pilhas de protocolos inferiores diferentes. §  Admitir camadas inferiores heterogêneas. §  Admitir organização em múltiplos domínios.

•  Ligação de redes com redes •  “inter-net” = Internetworking .


4

Funções da camada de rede (2) q  Missão: Transportar pacotes do

host emissor ao receptor. q  Protocolo da camada de rede:

presente em hosts e routers. Três funções importantes: q  Determinação do caminho: rota

seguida por pacotes da origem ao destino. q  Usa algoritmos de roteamento.

q  Comutação: mover pacotes dentro do roteador, da entrada até a saída apropriada.

q  Estabelecimento da chamada: algumas arquiteturas de rede requerem determinar o caminho antes de enviar os dados.

rede

enlace física

rede

enlace física

rede

enlace física

rede

enlace física

rede

enlace física

rede

enlace física

rede

enlace física

rede

enlace física

aplicação transporte

rede enlace física


rede enlace física

Note que os roteadores intermediários não precisam das camadas superiores da pilha TCP/IP, ainda que elas sejam implementadas para prover serviços

de acesso ao roteador

Não acontece na Internet




Funções da camada de rede (3) •  No lado transmissor:

§  Encapsula os segmentos em datagramas.

• No lado receptor: • Entrega os segmentos à camada de

transporte (desencapsula).

• Roteador: • Examina campos de cabeçalho em

todos os datagramas IP que passam por ele.

• Toma decisões de roteamento. • É “stateless”.


Funções-chave da camada de rede: q Roteamento:

§  Determinar a rota a ser seguida pelos pacotes.

q Comutação ou repasse: §  Mover pacotes dentro do roteador, da

entrada para a saída apropriada.

q Algoritmos de roteamento - analogia: §  Roteamento: processo de planejar a

viagem para saber qual caminho seguir. §  Comutação: processo de passar por um

único cruzamento.




7

Rede de datagramas: o modelo da Internet

q  Não requer estabelecimento de chamada na camada de rede q  Não guarda estado sobre transmissões.

§  Não existe o conceito de “conexão” na camada de rede. q  Pacotes são roteados usando endereços de destino.

§  Cada camada de rede vai “carimbar” o pacote com endereço, e enviar.

§  Dois pacotes podem seguir caminhos diferentes até destino.


rede enlace física


rede enlace física

1. envia dados 2. recebe dados


Destination Address Range Link Interface 11001000 00010111 00010000 00000000! até 0 11001000 00010111 00010111 11111111!----------------------------------------------------------------------------------------------------- 11001000 00010111 00011000 00000000! até 1 11001000 00010111 00011000 11111111 !----------------------------------------------------------------------------------------------------- 11001000 00010111 00011001 00000000! até 2 11001000 00010111 00011111 11111111 !----------------------------------------------------------------------------------------------------- caso contrário 3

Considerando o espaço de endereçamento no IPv4 (atual) existem 4 bilhões de entradas possíveis.

Tabela de comutação ou repasse




Prefix Match Link Interface 11001000 00010111 00010 0 11001000 00010111 00011000 1 11001000 00010111 00011 2 Qualquer outro 3

11001000 00010111 00011000 10101010

Exemplos

11001000 00010111 00010110 10100001 Qual interface?

Qual interface?

Decisão de repasse


11001000 00010111 00011000 10101010 !

Exemplos

11001000 00010111 00010110 10100001 ! Qual interface?

Qual interface?

Decisão de repasse

Regra do maior prefixo: o prefixo mais longo na tabela de roteamento tem precedência na decisão.

1

0

Prefix Match Link Interface 11001000 00010111 00010 0 11001000 00010111 00011000 1 11001000 00010111 00011 2 Qualquer outro 3




O que há dentro do roteador ?

Visão geral da arquitetura de um roteador

11


12

Visão Geral de Arquitetura de Roteadores q  Roteadores possuem 2 funções fundamentais:

§  Executar algoritmos e protocolos de roteamento. •  RIP, OSPF, BGP, dentre outros.

§  Repassar(*) datagramas da interface de entrada para a saída. •  Por intermédio da malha (ou matriz) de comutação (switch fabric).

(*) Repassar ou Comutar.




13

Funções da Porta de Entrada

Comutação descentralizada: q  Verifica o destino do datagrama, e procura qual

porta de saída. §  Usa tabela de rotas na memória da porta de entrada.

q  Meta: fazer processamento da porta de entrada na “velocidade da linha”.

q  Formação de Filas: acontece se datagramas chegam mais rápido que taxa de re-envio para matriz de comutação

Camada física: recepção de bits

Camada de enlace: Exemplo: Fast ethernet


14

Três tipos de matriz de comutação serão vistas em seguida

Dentro do roteador existe uma das 3 principais estruturas de comutação




15

1. Comutação via Memória q  Presentes nos roteadores da primeira geração. q  Pacote é copiado para a memória pelo processador do sistema.

§  Ocorre um gargalo: processamento único. q  Depois é lido para fazer o repasse. q  A velocidade limitada pela largura de banda da memória.

§  2 travessias do barramento por cada datagrama (entra e sai na memória).

Porta de Entrada Porta de

Saída Memória

Barramento do Sistema Roteadores atuais / modernos: q  Colocam processador da porta de entrada:

q  Consulta tabela e copia para a memória.


16

2. Comutação via Barramento

q  Datagrama viaja da memória da porta de entrada à memória da porta de saída. §  Por intermédio de um barramento compartilhado.

q  Contenção pelo barramento: §  Taxa de comutação limitada pela largura de banda do barramento.

§  Datagramas competem pelo uso do barramento.

q  Barramento de 1 a 100 Gbps são comuns. §  Velocidade suficiente para roteadores de acesso e corporativos (mas

não de backbone).




17

3. Comutação cross-bar (Rede ou matriz de Interconexão)

q  Supera limitações dos barramentos. q  Matrizes de interconexão desenvolvidas inicialmente para interligar processadores num multiprocessador (Redes Banyan). q  Consiste de 2n barramentos, conectando n portas de

entrada com n portas de saída. q  Portas podem “conversar” ao mesmo tempo na matriz.

§  Taxas mais comuns atuais variam de 200 Gbps a 1 Tbps pela rede de interconexão.

§  Já existem roteadores de 100 Tbps. §  Indicado para roteadores de backbone.


Comutação cross-bar

18

Portas podem “conversar” ao mesmo tempo na matriz.




19

Porta de Saída

q  Buffers necessários quando datagramas chegam da matriz de comutação mais rápido do que a taxa de transmissão do enlace.

q  Eventualmente há disciplina de escalonamento: escolha dos datagramas enfileirados para transmissão. §  Pode haver usar o campo TOS no header do datagrama IP.

§  (será discutido mais adiante).


20

Filas e perdas na Porta de Saída

q  Usa buffers quando taxa de chegada através do comutador excede taxa de transmissão de saída.

q  Ocorre enfileiramento (atraso) e perdas devido ao transbordamento do buffer da porta de saída.




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Filas e perdas na Porta de Entrada: Bloqueio Head-of-Line (HOL)

q  Se matriz de comutação é mais lenta do que a soma das portas de entrada juntas → pode haver filas nas portas de entrada.

q  Bloqueio HOL: datagrama na cabeça da fila impede outros na mesma fila de avançarem. §  Acontecem atrasos de enfileiramento e perdas, devido ao

transbordamento do buffer de entrada.


Bloqueio HOL

22

1

2

A

B

1 – Pacote vermelho está sendo enviado para porta A. 2 – Pacote vermelho também quer ir para A

•  Mas esta impedido até que 1 termine. 2 – Pacote verde quer ir para B que está livre.

•  Mas está impedido até que o pacote vermelho da sua frente seja enviado.




A Camada de Rede na Internet

23


A Camada de Rede na Internet

24

Tabela de rotas

Protocolos de roteamento!•  Escolha de caminhos!

•  RIP, OSPF, BGP!

Protocolo IP •  Endereçamento. •  Formato dos datagramas. •  Tratamento de pacotes.

Protocolo ICMP •  Aviso de erros e testes. •  Sinalização de rotas.

Camada de Transporte: TCP e UDP!

Camada de enlace (datalink)!

Camada física!

Ca

ma

da

de

re

de




Datagrama IP

Especificações do Protocolo

25


26

Formato do datagrama IP (1)

ver comprimento

32 bits

dados (comprimento variável,

tipicamente um segmento TCP ou UDP)

ident. 16-bits

checksum Internet

TTL

endereço IP de origem 32 bits

número da versão do protocolo IP

comprimento do cabeçalho em

palavras de 32 bits

TTL - Time to Live. número máximo

de enlaces restantes

(decrementado a cada roteador)

para fragmentação e remontagem

comprimento total do datagrama (em bytes)

protocolo da camada superior ao qual

entregar os dados

comp. cab

tipo de serviço

“tipo” dos dados (TOS)

bits início do fragmento

camada superior

endereço IP de destino 32 bits

Opções (se houver) Exemplo: temporizador, Registro de rota seguida, especificar caminho, etc... Na prática: NUNCA USADO.

Checksum envolve apenas verificação do cabeçalho

(não dos dados).




27


Version IHL Type of service Total length

Identification

Time to live Protocol

Fragment offset

Header checksum

Source address

Destination address

Options (0 or more words)

D F

M F

32 Bits

•  Versão: o primeiro campo do cabeçalho de um datagrama IPv4 é o campo de versão, com 4 bits.

•  IHL: o segundo campo, de quatro bits, é o Comprimento do Cabeçalho ou IHL (Internet Header Length) contendo o número de palavras de 32 bits no cabeçalho IPv4.

•  Um cabeçalho mínimo tem vinte bytes de comprimento, logo o valor mínimo em decimal no campo IHL é 5 (5 x 32 bits = 20 bytes).

•  Tamanho total: campo de 16 bits define o tamanho TOTAL do datagrama (cabeçalho + dados), em bytes.

•  O valor do campo tamanho mínimo é de 20 bytes. •  Então, o tamanho máximo possível é 65.536 bytes (64 Kbytes).


28



Identification


Fragment offset

Header checksum

Source address

Destination address


D F

M F

32 Bits

•  Protocolo: com 8 bits define o código decimal do protocolo que o IP está carregando no campo de dados. A IANA - Internet Assigned Numbers Authority mantém a lista com os números de protocolos.

•  Os protocolos comuns e os seus valores decimais incluem o ICMP (1), o TCP (6) e o UDP (17). Ver http://www.iana.org/assignments/protocol-numbers.

•  TTL (Time To Live): evita que os datagramas persistam numa rede (por exemplo, evitando loopings de roteamento). É setado na origem.

•  Historicamente o campo TTL limitaria a vida de um datagrama em segundos, mas tornou-se num campo de contagem de nós caminhados (chamado de hop count).

•  Roteador onde um datagrama atravessa decrementa o campo TTL em 1. •  Quando o campo TTL chega a zero, o pacote não é enviado e deve ser descartado.

Datagrama ICMP de erro (ICMP 11 – Time Exceeded) é enviado de volta ao emissor




MTU e adaptação a redes diferentes

29

Internet

SLIP : 256

PPP : 1500

Ethernet : 1500

ADSL: 512


30

IP: Fragmentação & Remontagem (1)

Rede 3MTU=1.500

Rede 1MTU = 1.500

Rede 2MTU=620

Host A

Host BRouter 1 Router 2

?

?

? •  Um datagrama pode passar por muitos tipos de redes físicas

diferentes, à medida que se move dentro das interligações das redes, até alcançar seu destino final.

•  Como a rede define um tamanho de datagrama que se encaixe no frame e como trata datagramas maiores do que sua camada de enlace pode suportar?

?




31


q  Cada enlace de rede tem uma MTU (Maximum Transmission Unit) - maior tamanho possível de FRAME neste enlace. §  Tipos diferentes de enlace têm MTUs

diferentes.

q  Quando há um datagrama IP muito grande a ser enviado numa é dividido (“fragmentado”) dentro da rede.

§  Um datagrama se transforma em vários datagramas.

§  São “remontados” apenas no destino final.

§  Bits do cabeçalho IP são usados para identificar, ordenar fragmentos relacionados.

Fragmentação: entrada: um datagrama

grande saída: 3 datagramas

menores

remontagem


32

IP: Fragmentação & Remontagem (3) Campos do Protocolo IP utilizados!


Identification


Fragment offset

Header checksum

Source address

Destination address


D F

M F

32 Bits




33


q O IP representa o deslocamento de dados em múltiplo de 8 bytes. §  Portanto, o tamanho do fragmento precisa ser um

maior múltiplo de 8 possível para aquela rede.

•  Roteadores precisam aceitar datagramas até o máximo de MTUs das redes às quais se conectam. •  Hosts e roteadores são obrigados aceitar e remontar,

se necessário, datagramas de no mínimo 576 octetos.


34


ID =x

início =0

bit_frag =0

compr =4000

ID =x

início =0

bit_frag =1

compr =1500

ID =x

início =1480

bit_frag =1

compr =1500

ID =x

início =2960

bit_frag =0

compr =1040

um datagrama grande vira vários datagramas menores




35

Controle IP – Fragmentação

Identifica o datagrama Indicando que existe

mais fragmentos Indica a posição do

fragmento em relação ao datagrama


36


Indicando que não há mais fragmentos,

deste datagrama e a sua posição no datagrama final




37


Identificação do datagrama 0x749b indica o mesmo

datagrama

Indica se existe mais fragmentos para o datagrama 0x749b Indica a posição do

fragmento no datagrama 0x749b


38

Endereçamento IP




39

Endereçamento IP

q Um endereço IP consiste de 32 bits, divididos em dois campos:

•  ID de rede (network number). •  ID do host (host number).

q  Os endereços IP são escritos em notação decimal: xxx . yyy . zzz . kkk

223 . 1 . 1 . 1 11011111 00000001 00000001 00000001

q  Grupo decimal (entre os pontos decimais) é conhecido como um “octeto”

q  à é o decimal equivalente aos 8 bits do endereço binário. q  “Endereço de 4 Octetos” (4 quatro grupos de 8 bits).


Endereço IP – notação decimal

40

10000000 00001010 00000010 00011110

2726252423222120 2726252423222120 2726252423222120 2726252423222120

27=128 23+21=10 21=2 24+23+22+21=30

128.10.2.30notação decimalpontuada

notaçãobinária

(alguns endereços são reservados. Serão tratados mais adiante).




Endereços de host e de rede

41

Identificador da rede

Identificador do host

Endereço IP de 32 bits

REDE 1

internet

REDE 2 REDE 4

REDE 3

hosts com o mesmo identificador de rede.

hosts com identificadores

de rede distintos.

host


42

Endereçamento hosts e redes (1)

q  Endereço IP: identificador de 32-bits para interface do host ou roteador.

q  Interface: conexão entre estação, roteador e enlace físico. §  Roteador típico tem

múltiplas interfaces. §  Endereço IP é

associado à interface, e não à estação ou roteador.

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

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27

223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001

223 1 1 1




43

Endereçamento hosts e redes (2) q  Endereço IP:

§  Uma parte de rede. •  (bits de mais alta ordem).

§  Uma parte de host. •  (bits de mais baixa ordem).

q  Uma rede IP:

§  Conjunto de Interfaces de dispositivos com o mesmo campo de rede nos seus endereços IP.

§  Podem alcançar um ao outro sem passar por um roteador.

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

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27

•  Esta parte da rede consiste de 3 interfaces IP com os endereços IP começando com 223.1.3.

•  Os primeiros 24 bits são o campo de rede.

LAN



44

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

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27

•  Este conjunto de redes consiste numa rede com 3 redes, cujos os endereços IP começam com 223.1.

•  Sub-redes de uma rede maior.

LAN Internet





45

223.1.1.1

223.1.1.3

223.1.1.4

223.1.2.2 223.1.2.1

223.1.2.6

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27

223.1.1.2

223.1.7.0

223.1.7.1 223.1.8.0 223.1.8.1

223.1.9.1

223.1.9.2

Sistema interligado consistindo de

seis redes


46

parte do host

Endereçamento IP: CIDR q CIDR: Classless InterDomain Routing

§  Parte de rede do endereço de comprimento arbitrário. §  Formato de endereço: a.b.c.d/x

§  /x é número de bits no campo de rede do endereço.

11001000 00010111 00010000 00000000

parte de rede

200.23.16.0/23




47

Endereços reservados de REDE e BROADCAST (1)

Exemplos de Endereços de REDE: •  Para se referir a uma rede os bits do campo de

host são colocado como 0. §  O endereço /16 identificado como 137.4.0.0/16

•  Refere-se à rede 137.4.*.* !

§  O endereço /24 identificado como 200.17.28.0/24 •  Refere-se à rede 200.17.28.*!


48

Endereços reservados de REDE e BROADCAST (2)

Endereços de broadcast q  Um endereço que se refere a todos os hosts em uma rede é

um endereço de broadcast. •  Para se referir a todos os nós de uma rede em particular, os bits de

host são ajustados para 1.

q  Exemplos: •  O endereço 15.255.255.255/8

–  Refere-se a todos os nós da rede 15 /8

•  O endereço 200.17.28.255!

–  Refere-se a todos os nós da rede 200.17.28 /24!




49

Subneting e subnetmask (1)

q  Algumas vezes pode ser necessário subdividir um conjunto de endereços IP para criar redes menores, ou seja, subredes.

q  Máscaras de sub-rede (subnetmasking) são usadas para subdividir redes. §  Os administradores podem definir o campo de subnetmask para

dividir uma rede em sub-redes menores, de acordo com a conveniência necessária.

q  A máscara de sub-rede diz para um roteador ou software específico quais comprimento dos campos de rede e de host devem ser considerados. §  Como vimos na notação CIDR, a “ / ” indica a máscara aplicada.

§  Exemplo: 200.23.16.0/23



50

•  Exemplo: divisão de uma rede /24 em redes menores. •  Os 8 bits de host estão sendo subdivididos para criar subredes

menores: no exemplo usando 3 bits para redes e 5 bits para hosts. •  Passa a existir a possibilidade de 8 subredes para serem usadas e a

máscara de subrede interna passa a ser / 27.




51


Funcionamento e obtenção da máscara: q A parte do endereço IP correspondente à

identificação do host (ou seja, o hostid) é dividida:

•  Um bit ligado (1) à indicará que aquele bit deverá ser interpretado como parte do número de sub-rede.

•  Um bit desligado (0) à indicará que aquele bit deverá ser interpretado como parte do número de identificação de hostid.

q  Em seguida à cada grupo de 8 bits é convertido para seu decimal equivalente, indicando a subnetmask.


52

Subneting e subnetmask (4) Considere os 8 bits identificadores de host num endereço de uma rede /24.

Se quisermos dividir uma rede /24 em 4 subredes ! vamos utilizar 2 bits para identificar a subrede e 6 bits para identificar os hosts.

Máscara resultante = /26 ou 255.255.255.192 Rede (decimal) subnet subnet host host host host host host

255.255.255. 1 1 0 0 0 0 0 0

Binário 11000000 = 192

Resulta na subnetmask ! 255.255.255.192

Esta divisão permite, na prática, utilizar 2 sub-redes de 64 hosts, pois as subredes que começam com 00 e 11 são reservadas e não podem ser utilizadas ! isso ocorre devido à identificação dos endereços de rede (all-0s, ou seja todos os endereços de host com bit 0) e endereço de broadcast (all-1s, ou seja todos os endereços de host com bit 1)




53


200.17.28.66/26!

IP Address subnetmask Hostid Binário End. Sub-rede Interpretação

200.17.28.66 255.255.255.192 66 = 01000010

(1ª rede, host 2)

200.17.28.64

(01000000)

Host 2 (000010) nasubrede 200.17.28.64

200.17.28.135 255.255.255.192 135 = 10000111

(2ª rede, host 7)

200.17.28.128(10000000)

Host 7 (000111) nasubrede200.17.28.128

200.17.28.135/26!


54

Subneting e subnetmask (6) Se quisermos dividir uma rede /24 em 16 subredes ! vamos utilizar 4 bits para identificar a subrede e 4 bits para identificar os hosts.

Máscara resultante = /28 Isso nos dá a possibilidade de 16 sub-redes de 16 hosts, das quais 14 sub-redes podem ser usadas ! novamente se “perdem” as subredes que começam com 0000 e 1111 (all-zero e all-one).

Cálculo da máscara:

Rede (decimal) subnet subnet subnet subnet host host host host

255.255.255. 1 1 1 1 0 0 0 0

Binário 11110000 = 240

Resulta na subnetmask ! 255.255.255.240




Subnetmask: tabelinha

55


Endereços reservados (1)

q Ou endereços privados (categoria 1) q 1 REDE /8:

§  10.0.0.0 a 10.255.255.255 !

q 16 REDES /16: §  172.16.0.0 a 172.31.255.255!

q 256 REDES /24: §  192.168.0.0 a 192.168.255.255!

q Também chamados de: §  Endereços não roteáveis ou redes não roteáveis.

•  Usados para redes locais.

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Endereços reservados (2)

q  Não podem ser atribuídos a nenhuma estação: §  127.0.0.1:

•  Endereço de Loopack §  nnn.nnn.nnn.255: !

•  BroadCast : todos os bits de host ajustados para 1. •  n.n.n.255 – Exemplo: End. BroadCast para rede /24 •  n.n.255.255 – Exemplo: End. BroadCast para rede /16 •  n.255.255.255 – Exemplo: End. BroadCast para rede /8

§  nnn.nnn.nnn.000: •  Network: todos os bits de host ajustados para 0. •  n.n.n.0 – Exemplo: End. Rede para rede /24 •  n.n.0.0 – Exemplo: End. Rede para rede /16 •  n.0.0.0 – Exemplo: End. Rede para rede /8

§  0.0.0.0: •  Endereço de Inicialização (DHCP)

57


Subdivisão de redes e roteamento

Regra do prefixo mais longo

58




59

Como subdividir uma rede q  Alocação a partir do espaço de endereços do provedor IP. q  Provedor pode subdividir sua alocação: digamos que ele

tem um “/20”, então pode entregar “/23” aos seus clientes:

Bloco do 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/20 provedor Organização 0 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/23 Organização 1 11001000 00010111 00010010 00000000 200.23.18.0/23 Organização 2 11001000 00010111 00010100 00000000 200.23.20.0/23 ... ….. …. …. ... ….. …. …. Organização 7 11001000 00010111 00011110 00000000 200.23.30.0/23


60

Endereçamento hierárquico: agregação de rotas

“Mande-me qualquer coisa com endereços que começam com 200.23.16.0/20”

200.23.16.0/23

200.23.18.0/23

200.23.30.0/23

Provedor A

Organização 0

Organização N7 Internet

Organização N1

Provedor B “Mande-me qualquer coisa com endereços que começam com 199.31.0.0/16”

200.23.20.0/23 Organização N2

. . .

. . .

Endereçamento hierárquico permite anunciar informação sobre rotas de forma eficiente e sumarizada

199.31….. /16

Mega-empresa A




61

Endereçamento hierárquico: rotas mais específicas • Organização 1 precisou mudar de provedor ou empresa, mas precisa levar os Ips:

• Provedor B agora anuncia uma nova rota mais específica para a Organização 1.

200.23.16.0/23

200.23.18.0/23

200.23.30.0/23

Provedor A

Organização 0

Organização 7 Internet

Organização 1

Provedor B

200.23.20.0/23 Organização 2

. . .

. . .

199.31….. /16 Mega-empresa A

“Mande-me qualquer coisa com endereços que começam com 200.23.16.0/20”

“Mande-me qualquer coisa com endereços que começam com

199.31.0.0/16 ou 200.23.18.0/23”


62

Endereçamento hierárquico: rotas mais específicas

“mande-me qq coisa com endereços que começam com 200.23.16.0/20”

200.23.16.0/23

200.23.18.0/23

200.23.30.0/23

Provedor A

Organização 0

Organização 7 Internet

Organização 1

Provedor B “mande-me qq coisa com endereços que começam com 199.31.0.0/16 ou 200.23.18.0/23”

200.23.20.0/23 Organização 2

. . .

. . .

Quando outros roteadores virem o anúncio dos blocos de endereço 200.23.16.0/20 e 200.23.18.0/23 e quiserem rotear para um endereço no bloco 200.23.18.0/23 eles vão usar a regra de ajuste ao prefixo mais longo e rotear em direção endereço de rede maior (mais específico) que casa com o endereço de destino.

199.31….. /16 Mega-empresa A




63

Endereçamento IP - Governança

Como um provedor IP consegue um bloco de endereços?

ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (http://www.icann.org)

§  Aloca endereços. §  Gerencia DNS. §  Aloca nomes de domínio e resolve disputas. §  No Brasil, estas funções foram delegadas ao Registro Nacional

(http://registro.br), sediado na FAPESP (SP), e comandado pelo Comitê Gestor Internet BR (CG-Br)


Encaminhamento de datagramas

64




65

Envio de datagramas

Para transferir um datagrama o emissor: 1. Encapsula o datagrama num quadro da

camada de enlace, 2. Mapeia o endereço IP de destino em um

endereço físico (endereço MAC) e, 3. Usa o hardware da rede local para entregar

§  Camada Datalink (MAC).


Envio de datagramas – mapeamento de endereço

66




67

Encaminhamento direto

q Emissor: §  (1.) extrai a parte da rede do endereço IP de destino, e §  (2.) compara à parte de rede de seu próprio endereço. §  Se houver correspondência, significa que o datagrama

pode ser enviado diretamente, na mesma rede.

q Encaminhamento direto é sempre o passo final de qualquer transmissão de datagrama. §  Sempre o roteador final se conectará diretamente à

mesma rede física do destino. §  Chamado de “último passo da rota” (last hop).


68

Encaminhamento indireto

q Quando um host deseja enviar algo para outro host à encapsula o datagrama, e o envia ao roteador mais próximo (gateway de saída).

q O datagrama passa de roteador a roteador, até chegar a um que possa entrega-lo diretamente.

q Quando um frame chega no roteador: §  O software do roteador extrai o datagrama

encapsulado, e seleciona o próximo roteador ao longo do caminho em direção ao destino.




69

rede dest. próx. rot. N enlaces 223.1.1 1 223.1.2 223.1.1.4 2 223.1.3 223.1.1.4 2

Enviando um datagrama da origem ao destino (1)

datagrama 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

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27

A

B E

Campos misc

end. IP origem

end. IP dest dados

q  Datagrama permanece inalterado, enquanto passa da origem ao destino.

tabela de rotas em A


70

rede dest. próx. rot. N enlaces 223.1.1 1 223.1.2 223.1.1.4 2 223.1.3 223.1.1.4 2 Seja um datagrama IP

originando em A, e endereçado a B:

q  A procura endereço de rede de B. q  A descobre que B é da mesma rede

que A (usando o prefixo do endereço). q  Camada de enlace de A envia o

datagrama diretamente para B num frame da rede local. §  B e A são chamados de

“diretamente conectados”.


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

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27

A

B E

campos misc 223.1.1.1 223.1.1.3 dados




71

rede dest. próx. rot. N enlaces 223.1.1 1 223.1.2 223.1.1.4 2 223.1.3 223.1.1.4 2

Seja origem A, destino E: q  Procura endereço de rede de E. q  E está numa rede diferente

§  A e E não diretamente conectados. q  Tabela de rotas: próximo roteador na

rota para E é 223.1.1.4 . q  Camada de enlace envia datagrama

ao roteador 223.1.1.4 num frame da camada de enlace.

q  Datagrama chega a 223.1.1.4 q  e então segue…


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

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27

A

B E

campos misc 223.1.1.1 223.1.2.2 dados


72

dest. rot. N enl. interface 223.1.1 - 1 223.1.1.4 223.1.2 - 1 223.1.2.9 223.1.3 - 1 223.1.3.27

rede próx.

Chegando a 223.1.1.4, destinado a 223.1.2.2

q  Procura endereço de rede de E. q  E fica na mesma rede que a interface

223.1.2.9 do roteador. §  Roteador e E estão diretamente

conectados. q  Camada de enlace envia datagrama

para 223.1.2.2 dentro de frame de camada de enlace via interface 223.1.2.9

q  Datagrama chega a 223.1.2.2


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

223.1.3.2 223.1.3.1

223.1.3.27

A

B E

Campos misc 223.1.1.1 223.1.2.2 dados




NAT: Network Address Translation

73


NAT: Network Address Translation (1)

q  Redes locais podem utilizar apenas um endereço IP de entrada e saída.

q  Não é preciso alocar uma gama de endereços do ISP. q  Motivação:

§  Esgotamento dos endereços IPv4.

§  Permitir alterar os endereços dos dispositivos na rede local sem precisar notificar o mundo exterior.

•  Redes não roteáveis

§  Mudar de ISP sem alterar os endereços na rede local.

§  Dispositivos da rede local não são explicitamente endereçáveis ou visíveis pelo mundo exterior (um adicional de segurança ?).




datagramas com origem ou destino nesta rede possuem endereço

10.0.0/24 para origem, destino (usualmente)

todos os datagramas que saem da rede local possuem o mesmo e único endereço IP do NAT de origem:

138.76.29.7, números diferentes de portas de

origem.


10.0.0.1

10.0.0.2

10.0.0.3

10.0.0.4

138.76.29.7

rede local (ex.: rede doméstica)

10.0.0/24

restante da Internet

NAT


1: hospedeiro 10.0.0.1 envia datagrama

para 128.119.40, 80 2: roteador NAT substitui end. origem

do datagram de 10.0.0.1, 3345 para 138.76.29.7, 5001, atualiza a tabela

3: resposta chega endereço de destino: 138.76.29.7, 5001

4: roteador NAT substitui o endereço de destino do datagrama de 138.76.29.7, 5001 para 10.0.0.1, 3345





Implementação: o roteador NAT deve: q  Datagramas que saem:

§  Substituir (endereço IP de origem interno, porta #) para (endereço IP válido do NAT, nova porta #).

q  . . . Hosts remotos respondem usando (endereço IP do NAT, nova porta #) como endereço de destino. q  Armazena na tabela de tradução do NAT: cada (endereço IP de origem interno, porta #) com o par de tradução (endereço IP do NAT, nova porta #). q  Datagramas que chegam:

§  substituir (endereço IP do NAT, nova porta #) nos campos de destino de cada datagrama pelos correspondentes (endereço IP de origem, porta #) armazenados da tabela NAT.




q • Campo número de porta com 16 bits: §  60.000 conexões simultâneas com um

único endereço de LAN. q • NAT é controverso:

§  Roteador: deveria processar só até a layer 3. §  Violação do argumento fim-a-fim (P2P). §  A escassez de endereços deveria ser para IPv6. §  Violação do esquema cálculo do checksum do IP. §  Algumas aplicações não funcionam com NAT.




ICMP

79


ICMP – Internet Control Message Protocol

q Parte da camada IP. q Mecanismo de “baixo nível” para influenciar o

comportamento do TCP e do UDP. §  Diversas mensagens de controle, tais como:

•  Informar hosts sobre melhor rota ao destino; •  Informar problemas com uma rota; •  Finalizar uma sessão devido a problemas na rede; •  Relatar erros: estação, rede, porta, protocolo inatingíveis; •  Pedido e resposta de eco e testes.

q Usado em ferramentas vitais de administração e monitoramento à ping e traceroute.




ICMP

IP header (20 byte) ICMP message

Carga /conteúdo: depende do tipo e código

8-bit type 8-bit code 16-bit checksum

IP datagram


Formato da Mensagem ICMP

82

tipo código checksum 0 7 8 15 16 31

parâmetros

...................

informação




ICMP Message Types type Description 0 Echo Reply Echo Reply 3 Destination Unreachable Error 4 Source Quench Error 5 Redirect Error 8 Echo Request Echo Query 9 Router Advertisement Query 10 Router Solicitation Query 11 Time Exceeded Error 12 Parameter Problem Query 13 Timestamp Request Query 14 Timestamp Reply Query 17 Address Mask Request Query 18 Address Mask Reply Reply

code Description 0 Network Unreachable 1 Host Unreachable 2 Protocol Unreachable 3 Port Unreachable 4 Fragmentation Needed and DF set 5 Source Route Failed 6 Destination Network Unknown 7 Destination Host Unknown 8 Source Host Isolated 9 Network Administratively Prohibited 10 Destination Host Administratively

Prohibited 11 Network Unreachable For TOS 12 Host Unreachable For TOS 13 Communication Administratively

Prohibited 14 Host Precedence Violation 15 Precedence Cutoff in Effect


Exemplo: ICMP Echo Request and Reply

q ICMP echo mensagem para enviar e receber pacotes específicos de “echo” entre 2 hosts

Echo data (variable length)

Type(0 or 8) Code(0) identifier

checksum sequence number




87

Interconexão de redes e roteamento


88

O problema de inter-redes

q Internet = INTERNETworking §  Interconexão de redes.

q Comunicação fim-a-fim sobre redes: §  Em escala arbitrariamente grande.

•  Deve ser possível escalar.

§  Heterogêneas. •  Diversos protocolos de enlace.

§  Organizadas como federação domínios. •  Cada instituição é “dona” de uma parte da rede.




89

Elementos de Interconexão em várias camadas:

q  Repetidores na camada física (layer1). q  Switches na camada de acesso ao meio (layer2). q  Roteadores na camada de rede (layer3). q  Gateways de aplicação (“layer 7”).


90

Meta: determinar melhor caminho (seqüência de roteadores) pela rede, desde a origem ao destino.

protocolo de roteamento

Roteamento

Abstração de grafo para algoritmos de roteamento:

q  Nós do grafo são roteadores. q  Arestas do grafo são os

enlaces físicos. §  Custos do enlace: retardo,

financeiro, risco, ou congestionamento.

A

E D

C B

F 2

2 1 3

1

1 2

5 3

5

q  Caminho “melhor”: §  Tipicamente significa

caminho de menor custo.

§  Outras definições são possíveis.




Grafo: G = (N,E) N = conjunto de roteadores = { u, v, w, x, y, z }

E = conjunto de links ={ (u,v), (u,x), (v,x), (v,w), (x,w), (x,y), (w,y), (w,z), (y,z), (u,w) }

•  A abstração de grafo é útil em outros contextos de rede. •  Por exemplo: Filesharing P2P (bittorrent):

•  N é o conjunto de peers. •  E é o conjunto de conexões TCP.

Abstração em grafo


Custo do caminho (x1, x2, x3,…, xp) = c(x1,x2) + c(x2,x3) + … + c(xp-1,xp)

Questão: Qual é o caminho de menor custo entre u e z ?

Algoritmo de roteamento: é algoritmo que encontra o caminho de menor custo, ou melhor caminho possível.

Abstração do gráfico: custo

• c(a,a’) = custo do link (a,a’) • Ex: c(w, z) = 5 •  Exemplo de custo: pode ser sempre o mesmo, relativo à distância, ou então inversamente relacionado à largura de banda ou ao congestionamento.




Tipos de algoritmos de roteamento

q Duas classificações principais. §  Quanto ao tipo da informação. §  Quanto à mudança das rotas.

q Veremos em seguida...

94


95

Classificação de Algoritmos de Roteamento (1)

Classificação 1: Informação global ou descentralizada ?

Global: q  Todos roteadores têm informações completas de topologia,

distância e custos dos enlaces. q  Algoritmos de “estado de enlaces” (link state - LS). Descentralizada: q  Roteador conhece vizinhos diretos, e custos até eles. q  Processo iterativo de cálculo, e troca de informações com

vizinhos. q  Algoritmos de “vetor de distâncias” (distance vector - DV).




96

Classificação de Algoritmos de Roteamento (2)

Classificação 2: Estático ou dinâmico? Estático: q  Usado quando as rotas mudam lentamente ou

raramente. §  Tipicamente para sistemas de borda (edge routers) ou

que possuem um ou poucos links de entrada/saída.

Dinâmico: q  Usado quando as rotas mudam mais rapidamente.

§  Tipicamente para sistemas de núcleo (core routers), com vários links e várias conexões.

§  Atualização periódica automática. •  em resposta a mudanças nos custos, ou disponibilidade ou estado

(link down ou up) dos enlaces.


Algoritmos de roteamento

Introdução aos algoritmos mais usados

97




Algoritmos de roteamento

q Dois algoritmos principais: §  Link State e Distance Vector.

q Link state: §  Informação Global. §  Algoritmo de Dijskstra

q Distance vector: §  Informação Descentralizada §  Equação de Bellman-Ford.

98


Link State

99




100

Roteamento Link-state Usa o Algoritmo de Dijkstra para calcular melhor caminho. q  Topologia da rede e custo de todos os enlaces são

conhecidos por todos os nós. §  Implementado via “link state broadcast”. §  Todos os nós têm a mesma informação. §  Todos os nós têm uma visão igual e completa

da rede. q  Calcula caminhos de menor custo de uma origem para

todos os outros nós destinos. §  Fornece uma tabela de roteamento a partir daquele nó (origem).


104

Exemplo: Rodando o Algoritmo de Dijkstra’s para o nó A:

Passo 0 1 2 3 4 5

início N’ A

AD ADE

ADEB ADEBC

ADEBCF

D(B),p(B) 2,A 2,A 2,A

D(C),p(C) 5,A 4,D 3,E 3,E

D(D),p(D) 1,A

D(E),p(E) infinito

2,D

D(F),p(F) infinito infinito

4,E 4,E 4,E

•  Calculando os caminhos de menor custo de A até todos os destinos possíveis.

•  Lembrando: p(x) à predecessor de x ao longo do caminho de menor custo atual.

• Cada linha da tabela fornece os valores das variáveis do algoritmo ao final da iteração.

A

E D

C B

F 2

2 1 3

1

1 2

5 3

5




105

Exemplo: Algoritmo de Dijkstra’s Passo

0 1 2 3 4 5

início N A

AD ADE

ADEB ADEBC

ADEBCF

D(B),p(B) 2,A 2,A 2,A

D(C),p(C) 5,A 4,D 3,E 3,E

D(D),p(D) 1,A

D(E),p(E) infinito

2,D


4,E 4,E 4,E

A

E D

C B

F 2

2 1

3

1

1 2

5 3

5 E isso continua…

(aqui está apenas para o menor custo de “A”

até cada destino)


106

Exemplo: Algoritmo de Dijkstra’s Passo

0 1 2 3 4 5

início N A

AD ADE

ADEB ADEBC

ADEBCF

D(B),p(B) 2,A 2,A 2,A

D(C),p(C) 5,A 4,D 3,E 3,E

D(D),p(D) 1,A

D(E),p(E) infinito

2,D


4,E 4,E 4,E

A

E D

C B

F 2

2 1

3

1

1 2

5 3

5 Menor custo de A até C é 3 e passa

por E.

Depois sabe-se qual o menor custo de A até E e por onde ele

passa... etc...




Resultado da tabela de repasse em A:

107

A

E D

C B

F 2

1 1

1 2

Destino: Link: B (A,B) C (A,D) D (A,D) E (A,D) F (A,D)

Caminhos de menor custo resultantes, e a tabela de repasse para o nó A.

Exercício: obter as tabelas para todos os nós


Distance Vector

109




110

Roteamento Distance Vector (1)

q Enquanto o LS usa informação global, o DV é iterativo, assíncrono e distribuído.

Iterativo: q  Continua até que os nós não troquem mais informações.

§  Self-terminating à não há sinal de parada.

Assíncrono: q  Os nós não precisam trocar informações

simultaneamente! Distribuído: q  Cada nó se comunica apenas com os seus vizinhos,

diretamente conectados.


Roteamento Distance Vector (2)

q Equação de Bellman-Ford (B-F) define:

dx(y) à menor custo do caminho de x até y Então:

dx(y) = minv {c(x,v) + dv(y) } Onde min é calculado sobre todos os vizinhos v de x.




du(z) = min { c(u,v) + dv(z), c(u,x) + dx(z),

c(u,w) + dw(z) } = min { 2 + 5, 1 + 3,

5 + 3 } = 4

O nó que atinge o mínimo é o próximo salto no caminho mais curto da origem até o destino até ➜ resulta na tabela de roteamento.

Calculando o menor caminho de u até z com a

equação B-F diz que:

Roteamento Distance Vector (3) Vemos que: dv(z) = 5 dx(z) = 3 dw(z) = 3


O que é o Vetor de Distâncias

q Dx = [ Dx(y): y em N ] q Vetor de distâncias do nó x é um conjunto.

q É um conjunto contendo todas as estimativas de custos de x até todos os outros nós y em N.

113




O que cada nó mantém:

q Cada nó x mantém os seguintes dados de roteamento:

1.  O custo c(x,v) até cada vizinho v, diretamente conectado.

2.  O vetor de distâncias dele (nó x), contendo a estimativa dos custos de x até todos os destinos y em N.

3.  Os vetores de distâncias de seus vizinhos para cada vizinho v de x: Dv = [ Dv(y): y em N ].

114


133

Roteamento Hierárquico

Escala: 50 milhões de destinos.

q  Não é possível armazenar todos os destinos numa única tabela de rotas.

q  As mudanças na tabela de rotas poderiam congestionar os enlaces.

Autonomia Administrativa q  Internet = rede de redes. q  Cada administração de rede

pode querer controlar o roteamento na sua própria rede.

Problemas do mundo real: q  Roteadores não são todos idênticos. q  Na prática redes não são “planas”.




134

Roteamento Hierárquico q  Agrega roteadores em

regiões: §  “Sistemas autônomos” ou

“Autonomous System” (AS). q  Roteadores dentro do

mesmo AS rodam o mesmo protocolo de roteamento: §  Protocolo de roteamento

Intra-AS. §  Roteadores em diferentes

AS podem rodar protocolos de roteamento diferentes.

q  Fronteira de um AS. q  Rodam protocolos de

roteamento Intra-AS com os outros roteadores do AS.

q  Também responsáveis por enviar mensagens para fora do AS . §  Rodam protocolo de

roteamento inter-AS com outros roteadores.

Roteadores de borda


135

Roteamento Intra-AS e Inter-AS

a

b

b

a a C

A

B d

c b

c

Organização A

Organização B

Organização C




136


a

b

b

a a C

A

B d

A.a A.c

C.b B.a

c b

c

Roteadores de Borda: • Realizam roteamento inter-AS entre instituições diferentes.

• Realizam roteamento intra-AS com outros roteadores dentro do mesmo AS.

AS B

AS A

AS C


137


Roteamento inter-AS e intra-AS no roteador A.c

Camada de rede Camada de enlace

Camada fisica

a

b

b

a a C

A

B d

A.a A.c

C.b B.a

c b

c




138


Host h2

a

b

b

a a C

A

B d c

A.a A.c

C.b B.a

c b

Host h1

Roteamento Intra-AS: dentro do AS “A” à (interior gateways)

Roteamento Intra-AS, dentro do AS “B”

Roteamento Inter-AS entre os AS’s “A” e “B” à (exterior gateways)

Nós voltaremos a discutir protocolos de roteamento Inter-AS e Intra-AS mais

adiante…


Roteamento Intra-AS

Interior Gateway Protocols (IGP)

139




140

Roteamento Intra-AS q  Também conhecido como:

§  Interior Gateway Protocols (IGP). §  ou protocolos de roteamento interno.

q  Os IGPs mais comuns são:

§  RIP: Routing Information Protocol

§  OSPF: Open Shortest Path First

§  IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (proprietário da Cisco)


Roteamento Inter-AS

Exterior Gateway Protocols (EGP)

151




152

Roteamento Inter-AS


153

Roteamento inter-SA na Internet: BGP

q  BGP (Border Gateway Protocol) à o padrão de fato q  Protocolo Vetor de Caminhos:

§  Semelhante ao protocolo de Vetor de Distâncias (DV). §  Cada Border Gateway (roteador de fronteira) difunde

aos vizinhos (pares) o caminho inteiro (isto é, seqüência de ASs) ao destino.

§  Por exemplo: roteador de fronteira X pode enviar seu caminho ao destino Z:

Path (X,Z) = X,Y1,Y2,Y3,…,Z




154

Roteamento inter-SA na Internet: BGP q  Suposição:

§  roteador X envia seu caminho para roteador para W.

q  W pode ou não selecionar o caminho oferecido por X §  razões de custo, políticas (não rotear via o AS de um

concorrente), evitar looping, dentre ouros motivos. q  Se W seleciona caminho até Z anunciado por X, então:

Caminho (W,Z) = W, Caminho (X,Z) q  Note que X pode controlar o tráfego de chegada através

do controle dos seus anúncios de rotas aos seus pares. §  Por exemplo: se não quero receber tráfego para Z:

•  Não anuncia rotas para Z.


155

Por que há diferenças entre roteamento Intra e Inter-AS? Políticas: q  Inter-AS à administração quer controle sobre como tráfego roteado,

quem transita através da sua rede. q  Intra-AS à administração é única, portanto são desnecessárias

decisões políticas.

Escalabilidade: q  Roteamento hierárquico economiza tamanho de tabela de rotas, reduz

tráfego de atualização

Desempenho: q  Intra-AS: pode focar em desempenho. q  Inter-AS: políticas podem ser mais importantes do que desempenho.




156

Final da Camada de Rede

Vimos neste capítulo: q  Serviços da camada de

rede. q  Roteamento e Roteador. q  Endereços IP. q  Fragmentação e MTU. q  Sub-redes e máscaras. q  Princípio de roteamento:

seleção de caminhos.

q  Algoritmos de roteamento. §  Link state e distance

vector.

q  Roteamento hierárquico. q  Sistemas Autônomos. q  Protocolos de

roteamento da Internet.

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