ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΣΤΟ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΣΤΟ INTERNETINTERNET

Β. Μάγκλαρηςmaglaris@netmode.ntua.gr

www.netmode.ntua.gr

12/11/2008

ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ:ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ: ΠΠΡΟΤΥΠΟΡΟΤΥΠΟ ΤΡΙΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ ΤΡΙΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ

• Διάσταση Μετάδοσης Δεδομένων - Data (forwarding) Plane– Διαμόρφωση πλαισίων TDM: ITU-T SDH/GFP framing (από STM-1=155 Mbps STM-,

εφεδρεία ring protection, VC-4 (150 Mbps) virtual concatenation (π.χ. VC-4-7v = 7 x VC-4 1 Gbps)

– Optical Digital Wrapper (ITU-T G.709: 2.5, 10, 40 Gbps + Forward Error Correction - FEC)

– Κωδικοποίηση σε πακέτα Ethernet, WiFi (IEEE 802.11), MPLS ή IP– Πρωτόκολλα προώθησης δεδομένων σε μεταγωγείς (switches) & δρομολογητές (routers)

• Διάσταση Ελέγχου - Control Plane– In-band Signaling: Σηματοδοσία ενσωματωμένη σε επικαφαλλίδες πακέτων (IP headers,

MPLS labels, VLAN tags) – Ξεχωριστά μηνύματα / πακέτα ελέγχου για σύνταξη πινάκων δρομολόγησης (Interior

Gateway Protocol – IGP, Exterior/Border Gateway Protocol – EGP/BGP)– Πακέτα ελέγχου «υγείας» του δικτύου – ICMP/ping/traceroute– Μηνύματα σηματοδοσίας για αποκατάσταση μονοπατιού – path (RSVP, LDP) &

αντιστοίχηση επικεφαλλίδων (labels) σε γραμμές MPLS– Σηματοδοσία αντιστοίχησης time slots (ή χρώματος) σε γραμμές SDH (ή WDM), Out-of

band Common Channel Signalling– Πρωτόκολλα ARP & DNS, αντιστοίχιση VLAN tags….

• Διάσταση Διαχείρισης - Management Plane– Μοντέλο αναφοράς FCAPS: Fault, Configuration, Accounting, Performance & Security

Management– Διαστασιολόγηση, παρουσίαση τοπολογίας. εντοπισμός βλαβών, ενημέρωση

λογαριασμών - αποθήκης, μετρήσεις επίδοσης, ασφάλεια πρόσβασης,...

3

ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ:ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ: ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΤΟΥ ΕΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΤΟΥ Ε..ΜΜ..ΠΠ..ntua.gr (147.102.0.0/16, ASN 3323)ntua.gr (147.102.0.0/16, ASN 3323)

4

ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ:ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ: ΕΠΙΠΕΔΟ ΖΕΥΞΗΣΕΠΙΠΕΔΟ ΖΕΥΞΗΣ DATA LINK LAYER DATA LINK LAYER

ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΔΕΝΔΡΙΚΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕΤΑΓΩΓΕΩΝ (ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΔΕΝΔΡΙΚΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕΤΑΓΩΓΕΩΝ (Spanning TreeSpanning Tree Protocol - Protocol - STPSTP of Ethernet Switches, IEEE 802.1D) of Ethernet Switches, IEEE 802.1D)

• Εξέλιξη των Αλγορίθμων Διάρθρωσης Διαφανών Γεφυρών Spanning Tree Protocol (STP) for Transparent Ethernet Bridges

• Radia Perlman, DEC & MIT 1985 http://www1.cs.columbia.edu/~ji/F02/ir02/p44-perlman.pdf

• Αναδιαμόρφωση Spanning Tree http://en.wikipedia.org/wiki/Spanning_tree_protocol

• Χρόνος Αντίδρασης σε Βλάβη: ~ 60 sec

• Νεώτερες εκδόσεις του STP IEEE 802.1D: Rapid Spanning Tree Protocol – RSTP, IEEE 802.1w (1998), IEEE 802.1D (2004)

Γέφυρες (Bridges, Switches):3 (Root), 24, 92, 4, 5, 7, 12

Τοπικά δίκτυα Ethernet:a, b, c, d, e, f

RP: Root PortDP: Designated PortBP: Blocking Port

5

ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ:ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ: ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΕΠΙΚΑΛΥΠΤΟΝΤΟΣ ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΕΠΙΚΑΛΥΠΤΟΝΤΟΣ ΔΕΝΔΡΟΥΔΕΝΔΡΟΥ

ETHERNET SPANNING TREE PROTOCOL - ETHERNET SPANNING TREE PROTOCOL - STP STP (IEEE 802.1D)(IEEE 802.1D)

SWITCH 1: Root Bridge

SWITCH 3SWITCH 2

SWITCH 4

RP

RP

RP

DPDP

DP

BP

BP

RP: Root PortDP: Designated PortBP: Blocked Port

PC_4PC_3 PC_6

PC_5

PC_8PC_7

PC_2

PC_1 Layer 2

Manager

PC_10PC_9

PORT STATESListening: Ακούει τα BPDU’sLearning: Μαθαίνει τις διευθύνσεις MAC πίσω της &

δημιουργεί την filtering ή switching data base. Blocking: Ακούει τα BPDU’s αλλά δεν ενεργοποιεί

προώθηση πακέτων εκτός να αντιληφθεί ότι το επικαλύπτον δένδρο έχει διασπαστεί

Forwarding: Ακούει τα BPDU’s και προωθεί κανονικά τα πακέτα

Disabled: Μη ενεργή

Bridge Protocol Data Units (BPDUs) Περιοδικά μηνύματα πρωτοκόλλου STP κάθε 2 sec (default)

Forwarding Data Baseper Switch Port

Forward MAC framesto known destinations, e.g..

PC_6, PC_7, PC_2, PC_3, PC_5to port from which it last heard them

prior to aging, e.g. RP

Forward to PC_10 only MAC frames addressed to it & broadcasts

Broadcast unknown destination MAC frames

(promiscuous mode)

Γνωστό στο Switch 4

Άγνωστο στο Switch 4Aging: 300 sec (default)

Ενεργή σύνδεση

Ανενεργή σύνδεση

6

ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ:ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ: ΔΡΟΜΟΛΟΓΙΣΗ ΜΕ ΔΡΟΜΟΛΟΓΙΣΗ ΜΕ VLANs VLANs (IEEE 802.1Q)(IEEE 802.1Q)

VLAN “Red” (VID 00d) Switch Ports 1 & 9Subnet 147.102.13.0/24Default Gateway 147.102.13.200

VLAN “Blue” (VID 003)Switch Ports 4 & 12IP Subnet 147.102.3.0/24Default Gateway 147.102.3.200

Trunk Switch Port 5ETHERNET SWITCH

IP ROUTERwarp.core.ntua.gr

ΦΥΣΙΚΗ ΣΥΝΔΕΣΗ:

ΛΟΓΙΚΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ:

matrix.netmode.ntua.gr 147.102.13.60 00:13:a9:34:dd:aa

DG: 147.102.13.200 00:08:7c:63:e4:00

147.102.3.1 00:13:72:f6:5f:83

DG: 147.102.3.200 00:08:7c:63:e4:00

147.102.13.38 00:50:da:51:95:10

DG: 147.102.13.200 00:08:7c:63:e4:00

147.102.3.90 00:16:17:72:72:76

DG: 10.2.0.200 00:08:7c:63:e4:00

147.102.13.200 147.102.3.200

TPID PCP CFI VID

16 bits 3 bits 1 bit 12 bits

MAC AddressETHERNET II

IP, TCP/UDP, Data

802.1Q Framing Add-On’sTPID: Tag Protocol IDPCP: Priority Code PointCFI: Canonical Format IdentifierVID: VLAN ID (< 4096)

00:08:7c:63:e4:00

ARPDNS

7

PE: Provider Edge Bridge

CE: Customer Edge Bridge

RB: Regular BridgeProvider Network

CE CE CECE

PE PE

Regular bridges

Customer Network

Customer Network

RB

RB

ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΓΕΦΥΡΩΜΕΝΩΝ ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΓΕΦΥΡΩΜΕΝΩΝ ETHERNETETHERNET

ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΠΑΡΟΧΩΝΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΠΑΡΟΧΩΝ Provider Backbone Bridges - PBB

PBB, IEEE 802.1ah (2007): Επέκταση Ethernet (GigE, 10 Gig) σε Μητροπολιτικά Δίκτυα (MAN’s) & WANs– Τυποποίηση πρωτοκόλλων VPLS, MAC-in-MAC και Q-in-Q για επέκταση VLAN’s μεταξύ τοπικών δικτύων LAN’s με διαχείριση ποιότητας υπηρεσίας– Προς συρρίκνωση τοπολογίας επιπέδου 3 collapsed backbone με μηχανισμούς μεταφοράς επιπέδου 2: 10 Gig point-to-point Ethernet transport

8

ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥLayer 3 RoutingLayer 3 Routing

• Interior Gateway Protocols (IGP): Μια έξοδος προς επόμενο Interface για κάθε τελικό προορισμό (δίκτυο)

– RIP: Bellman Ford– OSPF (Open Shortest Path First): Dijkstra, ιεραρχικό με stub areas)– IS-IS

• Exterior (Border) Gateway Protocols (EGP/BGP): Πολλές εναλλακτικές διαδρομές με βάρη προς όλα τα γνωστά δίκτυα (περίπου 250.000 σήμερα) μεταξύ ακραίων (border) routers αυτονόμων συστημάτων (Autonomous Systems, AS, περίπου 40.000 σήμερα).

– Η διαδρομή καταγράφεται στον BGP Table των ακραίων δρομολογητών (border gateways) ενός AS ανά δίκτυο προορισμού και την σειρά των AS’s της προτεινόμενης διαδρομής (μαζί με το βάρος της)

– Οι πίνακες BGP φυλάσσονται στην ηλεκτρονική μνήμη των border gateways και ανανεώνονται δυναμικά όποτε υπάρχουν αλλαγές στο Internet με ευθύνη των γειτονικών δρομολογητών (border gateways) που ανακοινώνουν τα δίκτυα των αυτονόμων κοινοτήτων (AS’s) που γνωρίζουν (advertising)

ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ:ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ:

Interior Gateway ProtocolsInterior Gateway Protocols (IGP)(IGP)

• Άμεση δρομολόγηση (direct)– Κόμβος (PC, router) στέλνει πακέτα IP σε interface κόμβου του

ίδιου υποδικτύου

• Έμμεση δρομολόγηση (indirect)– Ο κόμβος στέλνει πακέτα IP σε κόμβο του ίδιου δικτύου,

χρησιμοποιώντας δρομολογητές (routers)– Ο κόμβος πρέπει να γνωρίζει τη διεύθυνση του interface

δρομολογητή (gateway) & την διεύθυνση L2 (MAC) μέσω ARP

• Οι τελικοί κόμβοι στέλνουν πακέτα με διεύθυνση προορισμού εκτός του δικτύου τους σε default gateway (π.χ. 147.102.13.200)

• Ο δρομολογητής πρέπει να γνωρίζει τη διαδρομή (επόμενο interface δρομολογητή) προς το δίκτυο – υποδίκτυο προορισμού

ΠΙΝΑΚΑΣ ΔΟΡΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΣΕΠΙΝΑΚΑΣ ΔΟΡΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΣΕ H HOSTOST Host Routing TableHost Routing Table

• Εγγραφές του τύπου (N, R)– N: Δίκτυο προορισμού– R: Επόμενο interface δρομολογητή (gateway)

• Host routing table σε λειτουργικό Windows από το μηχάνημα με IP 147.102.13.32

> netstat -nr

Routing Table: Network Destination Netmask Gateway Interface Metric 0.0.0.0 0.0.0.0 147.102.13.200 147.102.13.32 20 127.0.0.0 255.0.0.0 127.0.0.1 127.0.0.1 1 147.102.13.0 255.255.255.0 147.102.13.32 147.102.13.32 20 147.102.13.32 255.255.255.255 127.0.0.1 127.0.0.1 20 147.102.255.255 255.255.255.255 147.102.13.32 147.102.13.32 20 224.0.0.0 240.0.0.0 147.102.13.32 147.102.13.32 20

• Προς το ίδιο τοπικό υποδίκτυο 147.102.13.0/24 σαν gateway ορίζεται κατευθείαν (direct) το τοπικό interface 147.102.13.32

– Προς destination dolly.netmode.ntua.gr (147.102.13.10) gateway θα είναι το τοπικό interface 147.102.13.32

• Προς όλα τα άλλα δίκτυα 0.0.0.0 σαν gateway ορίζεται το 147.102.13.200 (default gateway: router.netmode.ntua.gr)

• Προς local host 127.0.0.0/8 (π.χ. για δοκιμή δικτυακών εφαρμογών τοπικά) ή προς το ίδιο το 147.102.13.32/32 «προωθούνται» στο «interface» 127.0.0.1

• Προς διεύθυνση broadcast 147.102.255.255/32 σαν gateway ορίζεται κατευθείαν (direct) το τοπικό interface 147.102.13.32 (η διεύθυνση δεν ισχύει στο δίκτυο του ΕΜΠ)

• Προς διευθύνσεις multicast 224.0.0.0/4 σαν gateway ορίζεται κατευθείαν (direct) το τοπικό interface 147.102.13.32

ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΤΩΝ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΤΩΝ (Links between Routers)(Links between Routers)

• Για ομοιομορφία της δρομολόγησης, κάθε γραμμή ορίζεται (συνήθως) σαν δίκτυο με 4 τουλάχιστον διευθύνσεις (/30)

• Παράδειγμα: Μεταξύ ΕΜΠ 147.102.0.0/16 & Παν. Αθηνών 195.134.64.0/18 ορίζεται το «δίκτυο» 147.102.224.32/30

– Υποδίκτυο: 147.102.224.32/30

– Άκρο ΕΜΠ: 147.102.224.33/30

– Άκρο Παν. Αθηνών: 147.102.224.34/30

– Broadcast: 147.102.224.35/30

ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΕΥΡΕΣΗΣ ΔΡΟΜΩΝ ΣΤΟ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΕΥΡΕΣΗΣ ΔΡΟΜΩΝ ΣΤΟ INTERNETINTERNET

• DV: Distance Vector (αλγόριθμος Bellman-Ford)– IGP: RIP (Routing Information Protocol)

– EGP: BGP (Border Gateway Protocol)

• LS: Link State (αλγόριθμος Dijkstra)– IGP: OSPF (Open Shortest Path First): Link State Data Base + αλγόριθμος

Dijkstra στον κορμό Αυτόνομου Δικτύου (Core of an Autonomous System, AS)

– Κόστος γραμμών δικτύου: Ανάλογα με την ταχύτητα ή οριζόμενα από τον Διαχειριστή

• Ανανέωση κόστους γραμμών: κάθε 240 sec (default) ή λόγω μεταβολής κατάστασης

• Στα περιφερειακά υποδίκτυα (stub areas): Default G/W

ΑΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΛΓΟΡΙΘΜΟΙ DISTANCE VECTORDISTANCE VECTOR IGP RIP - BGP

• Κάθε κόμβος υπολογίζει την επόμενη «βέλτιστη» στάση προς όλες τις κατευθύνσεις, σύμφωνα με την εικόνα που έχει τοπικά (πραγματικά κατανεμημένος αλγόριθμος)

• Χρειάζεται γνώση του «κόστους» των άμεσων συνδέσεων (interfaces) και το εκτιμώμενο «κόστος» από τους άμεσους γείτονες προς όλους τους προορισμούς (π.χ. όλα τα δίκτυα στο Internet που ανακοινώνουν - announce – σε έναν ακραίο δρομολογητή μιας αυτόνομης κοινότητας - AS - οι γειτονικές του αυτόνομες κοινότητες στο πρωτόκολλο BGP)

• Βασίζεται στον δυναμικό προγραμματισμό (με πιθανές επεκτάσεις για την ανακάλυψη εναλλακτικών δρόμων στο BGP)

• Οι κόμβοι εντοπίζουν τους βέλτιστους δρόμους (shortest paths) προς όλους τους κόμβους εκτελώντας αλγόριθμο βασισμένο στον δυναμικό προγραμματισμό (dynamic programming) που εισήγαγε ο Bellman

• Αρχικά παρουσίασε αστάθειες (π.χ. δρόμους με κύκλους - loops) αλλά σήμερα το πρωτόκολλο EGP BGP είναι η καρδιά του Internet

• Το πρωτόκολλο IGP RIP σήμερα έχει αντικατασταθεί από το OPSF

ΑΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣΛΓΟΡΙΘΜΟΣ LINK STATE LINK STATE IGP OSPF

• Κάθε δρομολογητής μιας περιοχής OSPF (core area) έχει πλήρη εικόνα της περιοχής του – τοπολογία, κόστη συνδέσεων

• Όλοι οι δρομολογητές εκτελούν τον αλγόριθμο Dijkstra για εντοπισμό όλων των δρόμων ελαχίστου κόστους (shortest paths) σε ρόλο κεντρικού συστήματος ελέγχου, περιοδικά (default 240 sec) ή όποτε αντιληφθούν ότι άλλαξε η κατάσταση του δικτύου – θεωρητικά όλοι έχουν την ίδια εικόνα

• Θεωρείται ευσταθής αλγόριθμος, επαρκής για IGP: Μια αυτόνομη κοινότητα ιεραρχείται εσωτερικά σε περιοχές OSPF (μία ή περισσότερες) + περιφερειακές stub areas με static routing (στο δίκτυο του ΕΜΠ, OSPF τρέχουν μόνο 2 δρομολογητές)

• Γενίκευση του OSPF: Αλγόριθμος IS-IS (Intermediate System to Intermediate System)

ΕΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ Bellman Ford & DijkstraBellman Ford & Dijkstra

• Δίκτυο (γράφος) αναφοράς

• Τα κόστη των γραμμών αφορούν και στις 2 κατευθύνσεις

• Στα παραδείγματα που ακολουθούν υπολογίζονται δένδρα ελαχίστων δρόμων (shortest path trees) από όλους προς την ρίζα {6} (Bellman Ford) και από την ρίζα {1} προς όλους (Dijkstra)

• ΠΡΟΣΟΧΗ: Η επιλογή του ρόλου της ρίζας του δένδρου (πηγή ή προορισμός) έγινε αυθαίρετα. Δεν εξαρτάται από τους αλγόριθμους που ισχύουν κατ’ αναλογία για αντίστροφους ρόλους ρίζας

ΑΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣΛΓΟΡΙΘΜΟΣ Bellman-Ford Bellman-FordDistance Vector (1/2)Distance Vector (1/2)

Υπολογισμός Δένδρου Ελαχίστων Δρόμων (Shortest Path Tree)

προς τον κόμβο {6} από τους κόμβους {1, 2, 3, 4, 5}

Di (h) : Κόστος από κόμβο (j) προς προορισμό (destination) 6 στο βήμα h

dij (h) : Κόστος (βάρος) γραμμής (i,j) στο βήμα h

L(j) = Di (h) Εκτίμηση ελαχίστου κόστους (label) από τον {j} προς τον {6} στο βήμα

h

P(j) : Επόμενος κόμβος από τον {j} προς τον {6} στο βήμα h

D6 (0) = 0, Dj (0) = ∞, j = 1,2,3,4,5

ΑΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣΛΓΟΡΙΘΜΟΣ Bellman-Ford Bellman-FordDistance Vector (Distance Vector (22/2)/2)

10 310 3

ΑΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣΛΓΟΡΙΘΜΟΣ Dijkstra DijkstraLink State 1/2Link State 1/2

Υπολογισμός Δένδρου Ελαχίστων Δρόμων (Shortest Path Tree)

από τον κόμβο {1} από τους κόμβους {2, 3, 4, 5, 6}

P : Σύνολο από permanent labels

Dj : Κόστος από πηγή (source) {1} προς κόμβο {j}

dij : Κόστος (βάρος) γραμμής (i,j)

L(j) = Di (h) Εκτίμηση ελαχίστου κόστους (label) από τον {1} προς τον {j} στο

βήμα h

P(j) : Προηγούμενος κόμβος από τον {1} προς τον {j} στο βήμα h

ΑΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣΛΓΟΡΙΘΜΟΣ Dijkstra DijkstraLink State 2/2Link State 2/2

20

ΑΝΑΚΟΙΝΩΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ 135.207.0.0/16 ΜΕΣΩ ΑΝΑΚΟΙΝΩΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ 135.207.0.0/16 ΜΕΣΩ BGP BGP Distance VectorDistance Vector

(από παρουσίαση του Timothy G. Griffin,AT&T Research, Paris 2002)