Descripción: Clase que permite conocer como se componen las capas de redes en el área informática...
Comunicación de Datos y Redes Catedra # 12: Capa de red
Profesor Patricio Galdames Departamento de Sistemas de Información, Universidad del Bío-Bío, Concepción
[email protected] Horario de Consulta:
11-11-2013
Catedra #12
Capa de red Objetivos: Comprender los principios en los que se basan los servicios de la capa de red: Modelos de servicios de la capa de red Reenvío versus ruteo Como un router funciona ruteo (selección de un camino) broadcast, multicast
instanciación, implementación en la Internet
Network Layer
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Temas de la capa de red • Introducción • Circuitos virtuales y redes de datagramas • Que hay dentro de un router • IP: Protocolo Internet – – – –
• Algoritmos de ruteo Estado del enlace (link state) Vector de distancias (distance vector) Ruteo jerárquico
• Ruteo en la Internet RIP OSPF BGP
Formato datagrama Direccionamiento IPv4 ICMP IPv6
• Broadcast y ruteo de multicast
Capa de red transporta segmentos desde el host fuente al host destino El host fuente encapsula los segmentos en datagramas El host destino entrega segmentos a la capa de transporte Protocolos de red están presente en cada host, router router examina campos de cabecera en todos los datagramas IP que pasan por el 11-11-2013
application transport network data link physical network data link physical
network data link physical network data link physical
network data link physical network data link physical
network network data link data link physical physical network data link physical
network data link physical
network data link physical
network data link physical
application transport network data link physical
Catedra #12
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Dos funciones claves de la capa de red • Reenvió (Forwarding ): mover paquetes desde la entrada del router a la salida apropiada del router • Ruteo (routing): determina la ruta tomada por los paquetes desde la fuente al destino.
analogía: ruteo: proceso de planificar un viaje desde el origen al destino reenvío: proceso de transitar a través de un cruce
– Algoritmos de ruteo
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Catedra #12
Relación entre ruteo y reenvío Algoritmos de ruteo determinan la ruta a través de la red
Algoritmo de ruteo
Tabla local de reenvios valor cabec. Enlace sal. 0100 0101 0111 1001
3 2 2 1
Tabla de reenvío determina el reenvió local en este router
valor cabecera del paquete recibido 0111
1 3 2
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Establecimiento de Conexión • Fuera de ruteo y re-envío, ésta es la 3ra función de importancia en algunas arquitecturas de redes: – ATM, frame relay, X.25
• Antes que los datagramas fluyan, los dos hosts y los routers que intervienen establecen una conexión virtual – Routers se involucran
• Servicios de conexión de capas Red vs los de la capa de Transporte: – Red: Entre dos hosts – Transporte: entre dos procesos 11-11-2013
Catedra #12
Modelos de servicio de Red P: ¿Cuál es el modelo de servicio para el “canal” que transporta los datagramas desde Fuente a Receptor? Ejemplo: Servicio para un Ejemplo: servicio para flujo de datagramas: datagramas individuales: • Entrega de datagramas en orden • Entrega garantizada • Garantía de bandwidth • Entrega garantizada mínimo para el flujo con retardo inferior a 40 [ms] • Restricciones sobre cambios en el espacio (tiempo) entre paquetes 11-11-2013
Catedra #12
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Modelos de servicio de Capa de red: Arquitectura de la Red Internet
Garantías ? Realimentación Modelo de servicio Bandwidth Loss Order Timing de Congestión best effort none
ATM
CBR
ATM
ABR
CBR: Constant bit rate
no
constant yes rate guaranteed no minimum
no
no
yes
yes
yes
no
no (inferida vía pérdidas) no congestión yes
ABR: Available bit rate
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Catedra #12
Revisión • Introducción • Circuitos virtuales y redes de datagramas • Que hay dentro de un router • IP: Protocolo Internet – – – –
Formato datagrama Direccionamiento IPv4 ICMP IPv6
• Algoritmos de ruteo Estado del enlace (link state) Vector de distancias (distance vector) Ruteo jerárquico
• Ruteo en la Internet RIP OSPF BGP
• Broadcast y ruteo de multicast
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Servicios de conexión y sin conexión de la capa de red • Las redes de datagramas proveen servicio sin conexión en su capa de red • Redes de VC proveen servicio de conexión en su capa de red • Análogo a los servicios de capa transporte, pero: – Servicio es: host-a-host – No hay opción: la capa de red provee sólo uno – Implementación: es hecha en la red interna (core)
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Catedra #12
Circuitos virtuales (VC) “Camino de fuente a destino se comporta como un circuito telefónico” • Hay tres fases identificables: – Establecimiento de la llamada, – Transferencia de datos, y – Término de la llamada
• Cada paquete lleva un identificador del VC (no dirección de máquina destino) • Cada router en el camino de fuente a destino mantiene el “estado” por cada conexión que pasa por él • Enlace y recursos del router (ancho de banda, buffers) pueden ser asignados al VC 11-11-2013
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Implementación de VC Un VC consiste de: 1. Camino desde fuente a destino 2. Número de VC, un número por cada enlace a lo largo del camino 3. Entradas en tablas de re-envío en los routers a lo largo del camino
• •
Los paquetes que pertenecen a un VC llevan el número de VC correspondiente. El número de VC debe ser cambiado en cada enlace. –
El nuevo número de VC es tomado de la tabla de re-envío
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Catedra #12
Tabla de Reenvío VC 22
12
1
2
32
3
Numero VC Numero interfaz
Tabla de reenvío del router :
Interfaz de llegada VC de Llegada Interfaz de salida VC de salida 1 2 3 1 …
12 63 7 97 …
3 1 2 3
22 18 17 87 …
…
Routers VC mantienen información del estado de la conexión! 11-11-2013
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Circuitos Virtuales: protocolos de señalización • usado para establecer, mantener y cerrar VC • usado en ATM (Asynchronous Transfer Mode), frame-relay, X.25 • No es usado en la Internet actual application transport network data link physical
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6. receive data 3. accept call 2. incoming call
5. data flow begins 4. call connected 1. initiate call
application transport network data link physical
Catedra #12
Red de Datagramas • No hay llamada de establecimiento en capa de red • Routers: no se mantiene estado de las conexiones de extremo a extremo – A nivel de red no hay concepto de “conexión”
• Paquetes reenviados usando dirección de host de destino application transport network data link physical
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1. send datagrams
2. receive datagrams
application transport network data link physical
Catedra #12
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Tabla de Reenvío de Datagramas Algoritmo de ruteo
Tabla local de Reenvios Direccion dest Enlace sal address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range 4
3 2 2 1
4 mil millones de direcciones IP, en vez de mantener una lista de direcciones individuales es mejor mantener una lista de rango de direcciones (tabla de agregación)
Dirección IP destino en Cabecera del paquete que llega
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Catedra #12
Tabla de Reenvío de Datagramas Rango de direcciones de destino
Interfaz enlace
11001000 00010111 00010000 00000000 hasta 11001000 00010111 00010111 11111111
0
11001000 00010111 00011000 00000000 hasta 11001000 00010111 00011000 11111111
1
11001000 00010111 00011001 00000000 hasta 11001000 00010111 00011111 11111111
2
sino
3
P: Pero, ¿que pasa si los rangos no se dividen tan claramente? 11-11-2013 Catedra #12
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El prefijo mas largo coincidente El prefijo mas largo coincidente Cuando se busca por una entrada en la tabla de reenvío dada una dirección de destino, se usa el prefijo de dirección mas larga que coincida con la dirección de destino. Rango de direcciones de destino
Interfaz enlace
11001000 00010111 00010*** *********
0
11001000 00010111 00011000 *********
1
11001000 00010111 00011*** *********
2
sino
3
Ejemplos: DD: 11001000 00010111 00010110 10100001 DD: 11001000 00010111 00011000 10101010
¿Cual interfaz? ¿Cual interfaz?
11-11-2013 Catedra #12
Red de Datagrama o de VC: ¿Por qué? Internet (Datagrama) •
•
•
ATM (VC)
Datos intercambiados entre • computadores – Servicio “elástico”, sin • requerimientos de tiempo estricto. Sistemas terminales “inteligentes” (computadores) – Se pueden adaptar, hacer control, recuperación de errores • – Red interna simple, la complejidad en “periferia” Muchos tipos de enlaces – Características diferentes: satélite, radio, fibra, cable – Es difícil uniformar servicios: tasas, pérdidas, BW 11-11-2013
Evoluciona desde telefonía Conversación humana: – Tiempos estrictos, requerimientos de confiabilidad – Necesidad de servicios garantizados Sistemas terminales “torpes” – teléfonos – Complejidad dentro de la red
Catedra #12
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Revisión • Introducción • Circuitos virtuales y redes de datagramas • Que hay dentro de un router • IP: Protocolo Internet – – – –
Formato datagrama Direccionamiento IPv4 ICMP IPv6
• Algoritmos de ruteo Estado del enlace (link state) Vector de distancias (distance vector) Ruteo jerárquico
• Ruteo en la Internet RIP OSPF BGP
• Broadcast y ruteo de multicast
Arquitectura de Routers: Generalidades Dos funciones claves de routers: • Correr algoritmos/protocolos de ruteo (RIP, OSPF, BGP) • re-envío de datagramas desde enlaces de entrada a salida
(structure)
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Funciones de las puerta de entrada
Capa física: Recepción nivel de bits Conmutación Descentralizada: Capa enlace datos: e.g., Ethernet (más adelante)
• • •
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Dada la dirección destino de datagrama, se obtiene puerto de salida usando la tabla de re-envío en memoria del puerto de entrada objetivo: procesamiento completo en puerto de entrada a “velocidad de la línea” Hacer cola si datagramas llegan más rápido que tasa de re-envío a la estructura de switches Catedra #12
Redes de conmutación Transfiere paquetes desde el buffer de entrada a al buffer de salida apropiado Tasa de conmutación: tasa a la cual los paquetes son transferidos desde las entradas a las salidas Se mide en múltiplos de la tasa de la línea de entrada/salida N entradas: tasa de conmutación es N veces la tasa de la línea
Tres tipos de estructuras de switches
memory
memory 11-11-2013
bus
crossbar
Catedra #12
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Conmutación vía memoria Primera generación de routers: • Computadores tradicionales con conmutación controlada por CPU • Paquetes son copiados a la memoria del sistema • velocidad limitada por ancho de banda de la memoria (2 cruces del bus por datagrama) input port (e.g., Ethernet)
memory
output port (e.g., Ethernet) system bus
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Catedra #12
Conmutación vía Bus • Datagramas transitan desde la memoria del puerto de entrada a la memoria del puerto de salida vía un bus compartidos • Contención en bus: rapidez de conmutación limitada por ancho de banda del bus • Bus de 1 Gbps, Cisco 1900: rapidez suficiente para routers de acceso y de empresas (no router regional o backbone) 11-11-2013
Catedra #12
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Conmutación vía una red de interconexión • Supera limitaciones de ancho de banda del bus • Redes de interconexión originalmente desarrolladas para conectar procesadores en multi-procesadores • Diseño avanzado: fragmentación de datagramas en celdas de tamaño fijo, las cuales pueden ser conmutadas en la estructura más rápidamente. • Cisco 12000: conmuta 60 Gbps a través de la red de interconexión 11-11-2013
Catedra #12
Puertos de Salida
• Almacenamiento (Buffering) requerido cuando datagramas llegan desde la estructura de switches más rápido que la tasa de transmisión • Disciplina de itinerario (Scheduling) escoge entre los datagramas encolados para transmisión 11-11-2013
Catedra #12
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Encolamiento en puerto de salida
• Almacenamiento cuando la tasa de llegada del switch excede la rapidez de la línea de salida. • Retardo en cola y pérdidas debido a que el buffer
puede rebalsarse! 11-11-2013
Catedra #12
Encolamiento en puerto de entrada • Redes de interconexión más lenta que las puertas de entradas combinadas -> encolamiento puede ocurrir en colas de entrada • Bloqueo de inicio de cola: datagramas encolados al inicio de la cola impiden que otros en la cola puedan seguir • Retardo en colas y pérdidas debido a rebalse de
buffer de entrada!
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Catedra #12
HOL:Head-Of-the-Line
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Políticas de descarte y envío • Descarte al ingresar a la cola: – Drop-tail: descartar el que llega cuando no hay espacio – Random Early Detection (RED): A la llegada de un paquete éste es marcado (para su eliminación posterior para hacer espacio en caso que la cola se llene) o descartado dependiendo del largo promedio de la cola.
• Para el envío de paquetes: – First-Come-First-Served (FCFS): como cola de banco. – Weighted Fair Queuing (WFQ): comparte el ancho de banda de salida equitativamente entre las conexiones de extremo a extremo (requiere manejar más información de estado). 11-11-2013
Catedra #12
¿ Que tan grande debe ser un buffer? • RFC 3439 recomienda: tamaño promedio de un buffer igual al RTT “típico” ( 250 mseg) veces la capacidad C del enlace – e.g., C = 10 Gpbs
buffer del enlace: 2.5 Gbit
• Recomendación reciente con N flujos, el tamaño del buffer es igual a RTT . C N
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Catedra #12
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Revisión • Introducción • Circuitos virtuales y redes de datagramas • Que hay dentro de un router • IP: Protocolo Internet – – – –
Formato datagrama Direccionamiento IPv4 ICMP IPv6
• Algoritmos de ruteo Estado del enlace (link state) Vector de distancias (distance vector) Ruteo jerárquico
• Ruteo en la Internet RIP OSPF BGP
• Broadcast y ruteo de multicast
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