ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΣΤΟ INTERNET Β. Μάγκλαρης 12/11/2008

ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ:ΠΡΟΤΥΠΟ ΤΡΙΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ: ΠΡΟΤΥΠΟ 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 ), 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:ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΤΟΥ Ε.Μ.Π. ntua.gr ( /16, ASN 3323) ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ: ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΤΟΥ Ε.Μ.Π. ntua.gr ( /16, ASN 3323)

4 ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ:ΕΠΙΠΕΔΟ ΖΕΥΞΗΣ DATA LINK LAYER ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΔΕΝΔΡΙΚΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕΤΑΓΩΓΕΩΝ (Spanning Tree Protocol - STP of Ethernet Switches, IEEE 802.1D) ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ: ΕΠΙΠΕΔΟ ΖΕΥΞΗΣ DATA LINK LAYER ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΔΕΝΔΡΙΚΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕΤΑΓΩΓΕΩΝ (Spanning Tree Protocol - STP of Ethernet Switches, IEEE 802.1D) Εξέλιξη των Αλγορίθμων Διάρθρωσης Διαφανών Γεφυρών Spanning Tree Protocol (STP) for Transparent Ethernet Bridges Radia Perlman, DEC & MIT Αναδιαμόρφωση Spanning Tree 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 Port DP: Designated Port BP: Blocking Port

5 ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ:ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΕΠΙΚΑΛΥΠΤΟΝΤΟΣ ΔΕΝΔΡΟΥ ETHERNET SPANNING TREE PROTOCOL - STP (IEEE 802.1D) ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ: ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΕΠΙΚΑΛΥΠΤΟΝΤΟΣ ΔΕΝΔΡΟΥ ETHERNET SPANNING TREE PROTOCOL - STP (IEEE 802.1D) SWITCH 1: Root Bridge SWITCH 3SWITCH 2 SWITCH 4 RP DP BP RP: Root Port DP: Designated Port BP: Blocked Port PC_4 PC_3PC_6 PC_5 PC_8 PC_7 PC_2 PC_1 Layer 2 Manager PC_10PC_9 PORT STATES Listening: Ακούει τα BPDU’s Learning: 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 Base per Switch Port Forward MAC frames to known destinations, e.g.. PC_6, PC_7, PC_2, PC_3, PC_5 to 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 4 Aging: 300 sec (default) Ενεργή σύνδεση Ανενεργή σύνδεση

6 ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ:ΔΡΟΜΟΛΟΓΙΣΗ ΜΕ VLANs (IEEE 802.1Q) ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ: ΔΡΟΜΟΛΟΓΙΣΗ ΜΕ VLANs (IEEE 802.1Q) VLAN “Red” (VID 00d) Switch Ports 1 & 9 Subnet /24 Default Gateway VLAN “Blue” (VID 003) Switch Ports 4 & 12 IP Subnet /24 Default Gateway Trunk Switch Port 5 ETHERNET SWITCH IP ROUTER warp.core.ntua.gr ΦΥΣΙΚΗ ΣΥΝΔΕΣΗ: ΛΟΓΙΚΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ: matrix.netmode.ntua.gr :13:a9:34:dd:aa DG: :08:7c:63:e4: :13:72:f6:5f:83 DG: :08:7c:63:e4: :50:da:51:95:10 DG: :08:7c:63:e4: :16:17:72:72:76 DG: :08:7c:63:e4: TPIDPCPCFIVID 16 bits3 bits1 bit12 bits MAC Address ETHERNET II IP, TCP/UDP, Data 802.1Q Framing Add-On’s TPID: Tag Protocol ID PCP: Priority Code Point CFI: Canonical Format Identifier VID: VLAN ID (< 4096) 00:08:7c:63:e4:00 ARP DNS

7 PE: Provider Edge Bridge CE: Customer Edge Bridge RB: Regular Bridge Provider Network CE PE Regular bridges Customer Network RB ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΓΕΦΥΡΩΜΕΝΩΝ ETHERNET ΣΕ 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 ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ Layer 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 σήμερα) μεταξύ ακραίων (border) routers αυτονόμων συστημάτων (Autonomous Systems, AS, περίπου 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: Interior Gateway Protocols(IGP) ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ: Interior Gateway Protocols (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 ) Ο δρομολογητής πρέπει να γνωρίζει τη διαδρομή (επόμενο interface δρομολογητή) προς το δίκτυο – υποδίκτυο προορισμού

ΠΙΝΑΚΑΣ ΔΟΡΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΣΕ HOST Host 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 > netstat -nr Routing Table: Network Destination Netmask Gateway Interface Metric Προς το ίδιο τοπικό υποδίκτυο /24 σαν gateway ορίζεται κατευθείαν (direct) το τοπικό interface –Προς destination dolly.netmode.ntua.gr ( ) gateway θα είναι το τοπικό interface Προς όλα τα άλλα δίκτυα σαν gateway ορίζεται το (default gateway: router.netmode.ntua.gr) Προς local host /8 (π.χ. για δοκιμή δικτυακών εφαρμογών τοπικά) ή προς το ίδιο το /32 «προωθούνται» στο «interface» Προς διεύθυνση broadcast /32 σαν gateway ορίζεται κατευθείαν (direct) το τοπικό interface (η διεύθυνση δεν ισχύει στο δίκτυο του ΕΜΠ) Προς διευθύνσεις multicast /4 σαν gateway ορίζεται κατευθείαν (direct) το τοπικό interface

ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΤΩΝ (Links between Routers) Για ομοιομορφία της δρομολόγησης, κάθε γραμμή ορίζεται (συνήθως) σαν δίκτυο με 4 τουλάχιστον διευθύνσεις (/30) Παράδειγμα: Μεταξύ ΕΜΠ /16 & Παν. Αθηνών /18 ορίζεται το «δίκτυο» /30 –Υποδίκτυο: /30 –Άκρο ΕΜΠ: /30 –Άκρο Παν. Αθηνών: /30 –Broadcast: /30

ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΕΥΡΕΣΗΣ ΔΡΟΜΩΝ ΣΤΟ INTERNET 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

ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ DISTANCE VECTOR ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ DISTANCE 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

ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ LINK STATE ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ 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)

ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ Bellman 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

ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ Bellman-Ford Distance Vector (1/2) Υπολογισμός Δένδρου Ελαχίστων Δρόμων (Shortest Path Tree) προς τον κόμβο {6} από τους κόμβους {1, 2, 3, 4, 5} D i (h) : Κόστος από κόμβο (j) προς προορισμό (destination) 6 στο βήμα h d ij (h) : Κόστος (βάρος) γραμμής (i,j) στο βήμα h L(j) = D i (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 D 6 (0) = 0, D j (0) = ∞, j = 1,2,3,4,5

ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ Bellman-Ford Distance Vector (2/2) 10 3

ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ Dijkstra Link 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 D j : Κόστος από πηγή (source) {1} προς κόμβο {j} d ij : Κόστος (βάρος) γραμμής (i,j) L(j) = D i (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

ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ Dijkstra Link State 2/2

20 ΑΝΑΚΟΙΝΩΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ /16 ΜΕΣΩ BGP Distance Vector ΑΝΑΚΟΙΝΩΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ /16 ΜΕΣΩ BGP Distance Vector (από παρουσίαση του Timothy G. Griffin, AT&T Research, Paris 2002)