Trasowanie ( Routing)

Trasowanie ( Routing) Protokoły wyznaczania tras (routingu) są kluczowe dla działania intersieci ( internet) W sieciach IP ( Internet) routery przekazują datagramy IP między routerami na ścieżce od źródła do przeznaczenia Router powinien mieć wiedzę o topologii intersieci Protokoły routingu muszą dostarczać i przekazywać te informacje

Zasady routingu w Internecie Routery otrzymują i przekazują datagramy IP (zazwyczaj w ramkach warstwy liniowej) Podejmują decyzje o trasach w oparciu o swoją wiedzę o topologii i warunkach w Sieci Decyzje powinny opierać się na kryteriach minimalizacji kosztów Co może być kosztem? Stały Routing Pojedyncza stała trasa skonfigurowana dla każdej pary źródło - przeznaczenie Stałe trasy

Przykład konfiguracji

Tablice routingu W przykładzie (poprzedni slajd) 5 sieci, 8 routerów Koszt łącza dla wyjścia dla każdego routera Każdy router ma tablicę trasowania (routing table ) Routing Table Wymagana dla każdego routera Wpis dla każdej sieci Ale nie dla każdego przeznaczenia Routing wymaga tylko części sieci Datagram docierający do routera w sieci przeznaczenia może przekazać go do hosta Adres IP address typowo zawiera część sieci i hosta (lub w kombinacji z maska sieci) Każdy wpis pokazuje następny węzeł na drodze do przeznaczenia Ale nie całą trasę

Tablice routingu w hostach Mogą też występować w hostach i występują /sbin/route lub inne komendy pokazujące tablice routingu jądra Przy przyłączeniu hosta do pojedynczej sieci z jednym routerem tablica jest prosta i zawiera tylko część sieci lokalnej ( ale niekoniecznie) i wskazanie na router jako bramę ( gateway) Cały ruch musi przejść przez ten router ( gateway) Jeśli routerów jest kilka host wymaga tablicy wskazującej który z routerów powinien być użyty dla danego datagramu ( adres IP przeznaczenia)

Przykłady tablic routingu

Czyli routing to : Trasowanie kierowanie pakietów od źródła do przeznaczenia Często wymaga przejścia przez wiele wezłów - przeskoki ( hops) W węzlach ( routerach) kierowanie pakietu w takie miejsce, które jest bliżej miejsca przeznaczenia (lub tak uważa dany router na podstawie swojej tablicy tras) Sieci datagramowe Wirtualne obwody virtual circuits - VCs

Porównanie sieci datagramowych i obwodów Zagadnienie Połączenie Adresowanie Znajomość sieci Nie potrzebne Niekonieczna Datagram Każdy pakiet zawiera pełny adres źródła i przeznaczenia Wymagane Wymagana Virtual circuit Każdy pakiet zawiera krótki numer VC Trasowanie Efekt awarii routera Kontrola zatorów Każdy pakiet kierowany niezależnie Praktycznie żaden, utrata pakietów w trakcie awarii Trudna Trasa ustalana podczas zestawiania VC Zakończenie wszystkich VC przechodzących przez router Łatwa, ale potrzebne wcześniejsza alokacja buforów dla każdego VC

Efekt zatoru Brak kontroli Routing powinien radzić z przeciążeniem sieci

Mechanizmy kontroli zatorów

Zasady zapobiegania przeciążeniom Transportowa Zasady retransmisji Buforowania niezgodnie z kolejnością Zasady potwierdzeń Sterowania przesyłem Ustalania limitów czasowych Warstwa sieciowa Wybór obwodów wirtualnych lub sieci datagramowych Zasady usług i kolejkowania Zasady odrzucania pakietów ( zrzut obciążenia) Np. RED Random Early Detection - Algorytmy routingu Zarządzanie czasem życia pakietów Warstwa liniowa Zasady retransmisji Zasady buforowania niezgodne z kolejnością Zasady potwierdzeń Zasady sterowania przepływem

Cechy algorytmu rutującego Optymalność Też efektywność vs sprawiedliwość Prostota i małe obciążenie zasobów Odporność i stabilność Reakcja na zmiany topologii i ruchu bez angażowania wszystkich hostów sieci Szybka zbieżność ustalenie właściwych dróg trasowania

Podstawowy podział rutowania Rutowanie statyczne ( nieadaptacyjne) Rutowanie dynamiczne (adaptacyjne) Rutowanie wg reguł (policy routing) W IP według adresu źródłowego + warunki dodatkowe Wewnątrzdomenowe i międzydomenowe Ponadto: Routing hierarchiczny np. AS Routing dla mobilnych hostów home & foreign agents Gratuitous ARP przełączanie tablic arp na HA / host Routing broadcastowy i multicastowy ruchu do wielu hostów jednocześnie

Rutowanie Statyczne Trasy ustalane w momencie załadowania pamięci routerów Najszybsze Ze względu na wydajność rutera Ze względu na obciążenie sieci Wymaga ręcznej konfiguracji Lub wczytania tablicy tras Nie jest odporne na awarie

Rutowanie dynamiczne Zmienne zależne od stanu sieci (topologia, ruch) Tablice rutowania budowane są w oparciu o informacje płynące od sąsiadów Tylko od sąsiadów? Zawsze? Kto jest sąsiadem? W przypadku awarii dokonuje się automatyczna rekonfiguracja tablic rutowania Co rozumiemy pod pojęciem awaria? W przypadku zmian stopnia obciążenia sieci możliwa jest Rekonfiguracja sieci Równoważenie obciążenia

Wady rutowania dynamicznego Złożone algorytmy wymagające znacznej mocy obliczeniowej Zwiększenie ruchu w sieci wymiana informacji Np. wymiana BGP tablice ok. 60-80 MB to wymaga pasma ok. 128 kbs Jeżeli odpowiedź na zmianę metryki (topologii) następuje zbyt wolno występują długie okresy niedziałania sieci, zbyt szybko oscylacje Tworzą się patologie takie jak: Fluttering - oscylacje Szybkie oscylacje w rutowaniu Np. przy próbach równoważenia obciążenia Jeżeli pojawia się tylko w jednym kierunku, to charakterystyka ruchu w obie strony się różni, co generuje problemy w niektórych aplikacjach (np. NTP) Problemy z wykorzystaniem czasów RTT ( duża zmienność) do obliczeń RTO (czasów retransmisji segmentów) Dostarczanie datagramów TCP w innym porządku, co z kolei generuje retransmisje i niepotrzebne zapychanie łącz Zapętlenia Jeżeli pewien pakiet w podróży do celu powtórnie odwiedzi ten sam ruter, tzn., że wystąpiła pętla Pakiet albo nigdy nie dotrze do celu albo dotrze z dużym opóźnieniem

Zasada optymalności (a) Sieć routerów (b) Odwrócone drzewo dla routera B.

Systemy autonomiczne System pod wspólnym zarządem, w którym występują takie same zasady rutowania Protokoły wymarłe GGP ( Gateway to Gateway Protocol) wymiana informacji między routerami podstawoywmi EGP ( Exterior Gateway Protocol ) jak w. Routery zewnętrzne IGP ( Interior Gateway Protocol ) protokoły dla routerów wewnętrznych Hello protokół typu IGP (jak i RIP ) bazujący na opóźnieniach w sieci IRP ( Interior Routing Protocol ) algorytmy rutowania wewnątrz systemu autonomicznego Algorytmy odległości wektorowej (Distance-Vector) RIP ( Routing Information Protocol) Algorytmy stanu łącza OSPF ( Open Short Path First) Algorytmy hybrydowe IGRP, EIGRP, ( Enhanced Interior Gateway Protocol) - Cisco ERP ( Exterior Routing Protocol ) algorytmy rutowania pomiędzy systemami autonomicznymi BGP ( Border Gateway Protocol ) IDRP ( Interdomain Routing Protocol)

Algorytmy routingu SPF shortest path routing Flooding - zalewanie Flow based routing DV distance vector Bellman-Ford, Ford-Fulkerson Algorytm w ARPANET RIP Link State Routing LS W Arpanet od 1979 OSPF, IS-IS

Distance Vector Routing (a) Sieć (b) Dane z A, I, H, K, oraz nowa tablica trasowania dla J.

RIP Algorytm opiera się na adresach klasowych RIP ver. 2 wspiera maski Podstawową metryką jest ilość ruterów pośredniczących w wymianie datagramów Ale można danemu połączeniu zmienić metrykę Posługują się rozproszonym algorytmem BF W zasadzie zakłada równe obciążenie wszystkich łączy

RIP zasada działania Co ok. 30s każdy ruter wysyła do swoich sąsiadów informację o znanych sobie kosztach połączeń do poszczególnych sieci Ver 1 UDP Ver 2 Multicast Po odebraniu tej informacji, Jeśli dotychczas dany ruter nie znał trasy do tej sieci to wpisuje ją do swojej tablicy rutingu z metryką większą o 1 Jeśli taka trasa już była, to jeśli odebrana metryka (+1) jest lepsza od poprzedniej to zastępuje ją. Jeśli metryka jest taka sama, to ruter używa wszystkich tras o tej samej metryce

Ramka RIP komenda (1 oktet) wersja (1 oktet) musi być zero (2 oktety) identyfikator rodziny adresów (2 oktety) musi być zero (2 oktety) adres IP (4 oktety) musi być zero (4 oktety) musi być zero (4 oktety) metryka (4 oktety)..... Format ramki protokołu RIP

Format ramki RIP

Reakcja na zmiany topologii Jak rozległy może być AS stosujący algorytm RIP? W przypadku powstania pętli mogłyby powstawać metryki rzędu milionów Dlatego przyjęto arbitralnie, że =16 Jeżeli metryka do danej sieci osiągnie 16, to oznacza to, że trasa jest niedostępna

Distance Vector Routing (2) The count-to-infinity problem.

Reakcja na zmiany topologii Zasada podzielonego horyzontu Split-Horizon Nie wysyłać aktualizacji w tę stronę, z której ją otrzymano Split Horizon a bardziej złożone topologie ( zamknięte) Zasada wstecznego zatruwania Poisoned Reverse Wysyłać takie aktualizacje z metryką 16 Szybsza zbieżność, szczególnie w przypadku większych pętli Holddown timer Przez 3 * czas aktualizacji nie przyjmowane są gorsze trasy Też split horizon z zatruwaniem : Zawsze wysyłanie informacji o metryce 16 w kierunku danej sieci

Flooding Każdy ruter wysyła informację na każdy swój interfejs Każdy sąsiad retransmituje tę informację na wszystkie swoje interfejsy (z wyjątkiem tego, z którego dotarł) Liczba pakietów rośnie wykładniczo w nieskończoność Aby tego uniknąć rutery rozpoznają czy dany pakiet jest powtórzony i jeśli tak to go kasują Selektywny flooding tylko w kierunku przeznaczenia Flooding Cechy Wszystkie trasy pomiędzy danym ruterem a każdym innym są wypróbowane SPF jest bardzo odporny Ponieważ wszystkie trasy są wypróbowane, przynajmniej jedna jest najlepsza Informacja szybko osiągnie wszystkie rutery Wszystkie węzły były odwiedzone Wada bardzo duży ruch w sieci w czasie inicjalizacji

Open Shortest Path First (OSPF) Ograniczenia RIP w dużych sieciach OSPF jest preferowanym protokołem w sieciach TCP/IP do wewnętrznego routingu IRP Stosuje algorytm stanu łącza LS (Link state) Link State Routing W czasie startu, router określa koszt łącza na każdym interfejsie Router ogłasza te koszty do wszystkich routerów Router monitoruje te koszty Jeśli się zmieniają, są ponownie rozgłaszane Każdy router konstruuje topologię i oblicza najkrótszą ścieżkę do każdej sieci przeznaczenia Brak dystrybucji algorytmów Można używać dowolnego Algorytm Dijkstry najpopularniejszy

Flooding jako metoda w LS Pakiety są wysyłane przez router do każdego sąsiada Przychodzący pakiet jest przesyłany na każde wyjście z wyjątkiem źródłowego Duplikaty są usuwane w celu uniknięcia zbędnego ruchu Wszystkie możliwe trasy zostaną wypróbowane, pakiet przejdzie jeśli tylko droga istnieje Pewne Co najmniej jeden pakiet przejdzie trasę o minimalnym opóźnieniu Wszystkie routery zostaną szybko osiągnięte Wszystkie węzły połączone ze źródłem zostaną odwiedzone Wszystkie routery dostaną informacje do zbudowania tablic routingu Duże obciążenie ruchem

Przykład zalewanie (Flooding)

OSPF Routery zarządzają opisem stanu lokalnych łączy Przekazują zaktualizowane informacje do wszytkich znanych sobie routerów Router otrzymujący aktualizację musi ją potwierdzić Generuje to dużo ruchu Każdy router zarządza swoją bazą danych ( tablicą) OSPF Protokół bezpośrednio nad IP - nr 89 Może używać też adresów grupowych TTL w IP =1 Grupa multicast All_SPF_Routers (224.0.0.5) Grupa multicast All_D_Routers (224.0.0.6) Bez numerów portów ale typy pakietów OSPF Hello Opis Bazy Żądanie informacji o łączy Odpowiedź uaktualnienia Potwierdzenia odbioru uaktualnień

Przykładowy System Autonomiczny ( AS)

Wynikowy Graf Z kosztami łączy Czasem niesymetryczne

Koszty łączy Koszt każdego skoku w każdym kierunku jest zwany metryką routingu OSPF stosuje elastyczny system metryk oparty na typie usług IP ( pole TOS) Normal (TOS) 0 - normalny Minimize monetary cost (TOS 2) koszty pieniężne Maximize reliability (TOS 4) - pewność Maximize throughput (TOS 8) -przepustowość Minimize delay (TOS 16) - opoźnienie Każdy router generuje 5 spinających drzew ( spanning trees) i 5 tablic routingu

Drzewo SPF dla Routera 6

Format pakietu OSPF

Pola pakietu OSPF Numer wersji obecnie 2 Typ: od 1 do 5 p. niżej Długość pakietu: w oktetach łącznie z nagłówkiem ID Routera: 32 bit źródło pakietu Area id: Obszar do którego należy źródłowy router Authentication type: bez (0), proste hasło lub szyfrowanie Authentication data: używana przez procedure autentykacji Typy pakietów OSPF Hello: used in neighbor discovery Database description: Defines set of link state information present in each router s database Link state request Link state update Link state acknowledgement

OSPF - obszary Pojedynczy obszar OSPF dostosowany jest do mniej więcej 50 ruterów Jeśli ruterów jest więcej trzeba podzielić dany AS Operacje obszarów Każdy uruchamia osobną kopie algorytmu LS Baza danych topologii tylko danego obszaru Informacje o stanach łącza rozgłaszane do innych routerów obszaru Zmniejszenie ruchu Routing między obszarowy polega na lokalnych informacjach o stanie łączy Rutery które należą do kilku obszarów AS nazywane są ruterami szkieletowymi (wewnątrz AS) Czasami mówi się, że nie należą do żadnego obszaru (area 0) Wiele ruterów w sieci LAN Rutery desygnowane

Porównanie algorytmów W stabilnych warunkach wynik działania algorytmu jest zawsze taki sam W algorytmie BF trzeba znać tylko koszt połączenia do sąsiada i koszty dostępu od sąsiada W algorytmie Dijkstry (LS) potrzebna jest znajomość całej topologii sieci Uaktualnienia gdy zmiana topologii, zawierają koszt scieżki W przypadku gdy zmienia się koszt połączenia, który zależy m.in. od obciążenia, ze względu na sprzężenie zwrotne algorytm może okazać się niestabilny Na tego typu niestabilność bardziej narażony jest algorytm BF Algorytm BF wymaga znacząco mniejszych mocy obliczeniowych, pamięci. W dużych sieciach związany jest ze zwiększonym ruchem Informacja wysyłana regularnie

BGP Najpowszechniej stosowany ruting EGP BGP Border Gateway Protocol Tranzyt przez systemy autonomiczne AS Dlaczego algorytmy DV, LS nie nadają się do EGP Zarówno algorytmy DV, jak i LS żądają, żeby była używana ta sama metryka w całej sieci Jeśli metryka jest różna, to zbudowanie poprawnej sieci jest wyzwaniem Nie ma możliwości zablokowania ruchu pewnego rodzaju Rozpiętość sieci jest zbyt duża Dla LS zbyt wielkie drzewa Dla DV zbyt duże metryki odległości Modyfikacja Distance-Vector Path-Vector Z każdego rutera istnieje pełna ścieżka do każdego AS, który może osiągnąć Tablice rutowania są dziś rzędu 70-80MB Ponieważ znana jest ścieżka, to można wprowadzić reguły rutowania

Format Wiadomości BGP Marker: Zarezerwowany dla autentykacji Length: W oktetach Typ: Open Update Keepalive Notification

Reguły rutowania Policy routing Nie przepuszczaj pakietów przez niektóre AS Nie używaj tras w USA jeżeli źródło i cel pakietu znajduje się w Kanadzie Przepuszczaj przez Albanię tylko jeśli inaczej nie można Komunikacja pomiędzy oddziałami Sun nigdy nie przechodzi przez sieć Microsoft TPSA blokuje polskie AS-y jeśli wchodzą z zagranicy!! Oparte najczęściej na adresach źródłowych Ale też czasem na protokołach czy wręcz usługach (portach) Nie mylić routingu (wybór trasy interfejsu), z klasą usług (kolejkowanie ), czy kształtowaniem ruchu (traffic control, shaping)

Trasowanie podsumowanie Współpraca pomiędzy algorytmami i protokołami Demony gated (RIP, BGP, OSPF), routed (RIP) Routing bezklasowy VLSM Variable-length subnet masking Protokoły wspierające VLSM RIPv2, OSPF, BGP, EIGRP Obsługa masek sieci (podsieci i nadsieci) Co robić przy tych samych sieciach a różnych maskach? Przeglądać tablice tras zaczynając od najdłuższych masek (najmniejsze sieci ) Wymiana informacji pomiędzy fragmentami sieci używającymi różnych protokołów rutowania Policy routing Rutowanie po adresach źródłowych

Protokoły OSI End System-to-Intermediate System (ES-IS) Raczej odkrywanie jakie rutery sąsiadują z hostem Pierwowzór protokołów takich jak HSRP czy RDP, ICMP Redirect Intermediate System-to-Intermediate Systems (IS-IS) Interdomain Routing Protocol (IDRP) Następca BGP (Wraz z IPv6) Zhierarchizowane BGP AS łączy się w konfederacje Te konfederacje w konfederacje wyższego rzędu W danej konfederacji stosowany jest ruting typu Path-Vector Doskonale dostosowany do MPLS

Mobile IP Jak zrobić, żeby komputer z tym samym oprogramowaniem działał w różnych sieciach? DHCP nie jest tu rozwiązaniem ze względu na zmianę adresu IP Zmiana miejsca pobytu ma być przezroczysta dla oprogramowania hosta Zmiany tablic rutingu w ruterze są wykuczone Jeśli host jest u siebie nie wiąże się to z żadnym nadmiarowym ruchem

Mobile IP Tunelowanie Home i Foreign Agent IP w IP Bezpieczeństwo weryfikacja i szyfrowanie połączenia Na bazie proxy ARP : Ruter (Home Agent) w domu odpowiada na zapytania ARP swoim adresem gratuitous ARP (dobrowolne?). Przekazuje pakiet w szyfrowanym tunelu do rutera (foreign agent), który aktualnie opiekuje się hostem