Administração e Projeto de Redes

Material de apoio

Protocolo IP e Algorítmos de Roteamento

Cap.8

17/01/2010

2

Esclarecimentos Esse material é de apoio para as aulas da disciplina e não

substitui a leitura da bibliografia básica. Os professores da disciplina irão focar alguns dos tópicos da

bibliografia assim como poderão adicionar alguns detalhes não presentes na bibliografia, com base em suas experiências profissionais.

O conteúdo de slides com o título “Comentário” seguido de um texto, se refere a comentários adicionais ao slide cujo texto indica e tem por objetivo incluir alguma informação adicional aos conteúdo do slide correspondente.

Bibliografia básica: KUROSE, James F.; ROSS, Keith. Redes de Computadores e a INTERNET - Uma nova abordagem. Pearson. : , 2001.

3

ver length

32 bits

Dados (tamanho variável,tipicamente um segmento

TCP ou UDP)

16-bit identifier

Internet checksum

time tolive

32 bit endereço IP de origem

versão do protocolo IP

tamanho do header (bytes)

número máximo de saltos (decrementado

em cada roteador)

Para fragmentação/ remontagem

tamanho total do datagrama (bytes):Máximo 64 octetos

protocolo da camada superior com dados no datagrama:TCP = 6; UDP = 17; ICMP = 1; IGRP = 88; OSPF = 89

head.len

type ofservice

classe de serviço

flgs fragment offset

proto-colo

32 bit endereço IP de destino

Opções (se houver)Ex.: marca de tempo, registro de rota lista de roteadores a visitar.Tamanho do cabeçalho TCP?

20 bytes do TCP 20 bytes do IP = 40 bytes + cabeçalho da camada de aplicação

Flags sinalizam:• Fragmenta Sim/Não• Último fragmento Sim/Não

Comentário:Formato do datagrama IP (Versão 4)

4 Fragmentação e Remontagem de pacotes IP

Enlaces de rede têm MTU (max. transfer size) - corresponde ao maior frame que pode ser transportado pela camada de enlace.

Tipos de enlaces diferentes possuem MTU diferentes (Ethernet: 1518 bytes).

Datagramas IP grandes podem ser divididos dentro da rede (fragmentados).

Um datagrama pode dar origem a vários datagramas.

A “remontagem” ocorre apenas no IP de destino final.

O cabeçalho IP é usado para identificar e ordenar datagramas que foram fragmentados.

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Protocolo IPv6 - Motivação Motivação inicial da implementação do IPv6:

A capacidade de endereçamento 32 bits do IPv4 estava praticamente esgotada.

Motivação adicional: Melhorar o formato do cabeçalho IP para permitir

maior velocidade de processamento e de transmissão (simplificação).

Mudanças no cabeçalho para incorporar mecanismos de controle de QoS (Quality of Service).

6

Tamanho fixo40 octetos

Comentário:Formato do datagrama IP (Versão 6)

Classe de tráfego: equivale à Classe de Serviço do IPv4. Trata de QoS. Rótulo de fluxo: associado com a função de QoS. Define tratamentos

semelhantes para pacotes com mesmo rótulo de fluxo (p.ex. VoIP, streaming).

Comprimento da carga útil: quantidade de bytes de dados carregados no pacote IP.

Próximo Cabeçalho: indica onde está o cabeçalho (extensão) e equivale ao campo Protocolo do IPv4 quando não tem cabeçalho extensão.

Limite de saltos: equivalente ao TTL do IPv4.

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IPv4 IPv6

Cabeçalho com tamanho variável Cabeçalho tem tamanho fixo 40 bytes

Tem detecção de erro usando Check Sum

Checksum foi removido para reduzir o tempo de processamento dos pacotes dentro do roteador

Fragmentação de pacotes IP na rede é opcional, definida pelo host de origem (bit no campo Flag)

Não é permitida a fragmentação de grandes pacotes na rede

ICMPv6: nova versão de ICMP inclui mensagem de tipos de mensagens adicionais. Por ex.: “Packet Too Big”.

Opções: são permitidas, mas são alocadas em cabeçalhos suplementares, indicados pelo campo “Próximo cabeçalho”

Funções de gerenciamento de grupos multicast

IPv4 versus IPv6

8

Transição do IPv4 para IPv6 Nem todos os roteadores podem ser atualizados

simultaneamente. Estratégia de Tunelamento: IPv6 transportado dentro de

pacotes IPv4 entre roteadores IPv4 (encapsulamento).

9

NAT – Network Address Translation Motivação:

Nem sempre é interessante manter os hosts e servidores com endereços IP públicos, ou nem sempre temos endereços IP públicos disponíveis para todos os hosts.

3 tipos de NAT NAT Estático: 1 endereço IP público para 1 endereço IP

privado.

NAT Dinâmico: Pool de endereços IP públicos para atender os hosts situados na LAN.

NAT Overload ou PAT: 1 endereço IP público para “n” endereços IP privados.

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NAT – Network Address Translation Benefícios:

Deve-se alocar tantos endereços IP públicos quanto necessários para permitir o acesso à Internet, seguindo a regra 1 para 1 (1 endereço IP público por host acessando a Internet simultaneamente).

É possível alterar os endereços dos dispositivos LAN sem precisar notificar as demais LANs.

É possível mudar de ISP, que altera o endereço IP, sem alterar os endereços dos dispositivos na rede local.

Os dispositivos da LAN não são explicitamente endereçáveis ou visíveis pelo mundo exterior (um adicional de segurança).

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Como funciona o processo NAT ? Datagramas que saem do roteador NAT:

É substituido o “endereço IP de origem na LAN” de cada datagrama pelo “endereço IP do NAT”.

. . . clientes/ servidores destino responderão usando “endereço IP do NAT” como endereço de destino.

No roteador NAT existe a Tabela de Tradução do NAT que associa cada “endereço IP de origem” para o par de tradução NAT: “endereço IP do NAT”.

Datagramas que chegam no roteador NAT: É substituído o “endereço IP do NAT” de cada datagrama

pelo “endereço IP de origem na LAN” correspondente armazenado da Tabela de Tradução do NAT.

12 Comentário: PAT: Port Address Translation

Variação do NAT: Network Address Translation.

Recurso utilizado quando não há endereços IP públicos para todos os hosts da LAN.

Outros nomes: SNAT/Masquerading: Linux (Iptables). NAT Overload. Hide-Mode NAT (CheckPoint). NAPT (RFC 3022). Internet Connection Sharing (Microsoft).

Opera na camada 3 e camada 4 do modelo OSI, enquanto que o NAT opera somente na camada 3.

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PAT – Port Address Translation Motivação:

As LANs podem utilizar apenas um endereço IP para dar acesso à WAN.

Benefícios: Não é preciso alocar uma gama de endereços do ISP. Apenas um

endereço IP é usado para todos os dispositivos da LAN. É possível alterar os endereços dos dispositivos LAN sem precisar

notificar as demais LANs. É possível mudar de ISP, que altera o endereço IP, sem alterar os

endereços dos dispositivos na rede local. Os dispositivos da LAN não são explicitamente endereçáveis ou

visíveis pelo mundo exterior (um adicional de segurança).

O uso do PAT é controverso: Roteadores deveriam processar somente até a camada 3 (Rede). Violação do argumento fim-a-fim (host fala diretamente com host)

(IP-IP). A possilidade do uso de PAT deve ser levada em conta pelos

desenvolvedores de aplicações. Por ex., nas aplicações P2P. A escassez de endereços deveria ser resolvida pelo IPv6.

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Como funciona o processo PAT ? Datagramas que saem do roteador PAT:

É substituido o “endereço IP de origem na LAN, porta TCP#” de cada datagrama pelo “endereço IP do PAT, nova porta TCP# do PAT”.

. . . clientes/ servidores destino responderão usando “endereço IP do PAT, nova porta TCP# do PAT” como endereço de destino.

No roteador PAT existe a Tabela de Tradução do PAT), que associa cada “endereço IP de origem, porta TCP#” para o par de tradução PAT: “endereço IP do PAT, nova porta TCP# do PAT”.

Datagramas que chegam no roteador PAT: É substituído o “endereço IP do PAT, nova porta TCP# do PAT”

de cada datagrama pelo “endereço IP de origem na LAN, porta TCP#” correspondente armazenado da Tabela PAT de Tradução do PAT.

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1: hospedeiro 10.0.0.1 envia datagramapara 128.119.40, 80

2: roteador PATsubstitui end. origemdo datagram de10.0.0.1, 3345 para138.76.29.7, 5001 eatualiza a tabela

3: resposta chegaendereço de destino: 138.76.29.7, 5001

4: roteador PATsubstitui o endereço dedestino do datagramade 138.76.29.7, 5001para 10.0.0.1, 3345

Exemplo do esquema PAT

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Tabelade rotas

Entidade de rede em roteadores ou hospedeiros:

Prot. de roteamento• Escolha de caminhos• RIP, OSPF, BGP

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

Protocolo ICMP• Aviso de erros• Sinalização de rotas

Camada de Transporte: TCP, UDP

Camada de Enlace

Camada Física

Camada deRede

A Camada de Rede

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X Y

AA

BB

CC

Presentation

Data LinkPhysical

Data LinkPhysical

A B C

Data LinkPhysical

Data LinkNetworkTransportSessionPresentationApplication

PhysicalData LinkNetworkTransportSession

Application

Physical

Network Network Network

Conectividade LAN-to-LAN Roteadores encapsulam e de-encapsulam pacotes de dados

no seu percurso pela rede quando eles são transferidos do sistema X ao Y.

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1

2

3

4

5

6

7

8 9

10 11

Which Path?Which Path?

Determinação do caminho do pacote (path)

Roteadores encontram o melhor caminho através da rede: Tabelas de Roteamento (Routing tables) dentro dos

roteadores contém a informação da topologia da rede. É usada para determinar o roteamento.

A decisão do roteador é local: escolher com base na Tabela de Roteamento, qual a porta de saída para encaminhamento do pacote IP recebido.

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Algumas métricas de roteamento Comprimento do caminho (path): total de hops (enlaces/

pulos) ou total dos custos de cada hop do path.

Confiabilidade (Reliability): taxa de falhas (MTBF), tempo de recuperação de falha (MTTR), taxa de erros (bits errados).

Atraso da rede (Delay): tempo decorrido para o pacote chegar ao seu destino (tamanho das filas, congestionamento da rede, distância física percorrida pelo pacote.

Largura de faixa (velocidade do link) e carga (% de ocupação): depende da velocidade do link e forma de uso.

Custo de comunicação ($): custo operacional dos links (OPEX).

20

Des

tin

atár

io

Pró

xim

o H

op

Cu

sto

R1 R1 0

R2 R2 13

R3 R2 15

R4 R4 6

R5 R2 25

R6 R4 26

Referência: Roteador #1

Exemplo da montagem da Tabela de Roteamento

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IP 15.17.132.6

IP 15.16.42.8

IP 15.16.50.3

Routing Tables

IP

TokenRing

TokenRing

AppleTalk 200.167

AppleTalk 100.110

Apple

IPX 4b.0800.0121.ab13

IPX 3a.0800.5678.12ab

Novell

DECnet 5.8

DECnet 10.1

DEC

VAX

VAX

Roteamento Multiprotocolo Roteadores multiprotocolo podem rotear diversos protocolos

de rede simultaneamente. Cada protocolo tem sua própria tabela de roteamento.

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LAN

A

B

Roteamento Estático (Static Routing) A Tabela de Roteamento é

atualizada manualmente pelo Administrador da Rede.

Benefícios: Reflete o conhecimento do

Administrador sobre a topologia.

Privacidade — não é compartilhado como parte de um processo de atualização com os demais roteadores.

Evita a sobrecarga de processamento devido ao roteamento dinâmico.

Uso quando a rede é “Terminada”, isso é, quando o roteador só tem uma porta de acesso ao resto da rede.

23

A B

CD

XA B

CD

X

Roteamento Dinâmico (Dynamic Routing)

Os roteadores trocam informações sobre a topologia e funcionalidade da rede entre si e atualizam suas Tabelas de Roteamento.

Uma mudança no caminho preferencial (AD-DC) altera a nova rota para (AB-BC) até que AD seja restaurado e nova atualização da Tabela Roteamento irá ocorrer.

24 Objetivos dos Algoritmos de Roteamento

Otimização: seleção da melhor rota com base em métricas e ponderações (pesos) usados nos cálculo.

Simplicidade e baixa carga de processamento: softwares “leves”.

Robustez e estabilidade: desempenho adequado mesmo diante de situações não previstas (exemplo: alto tráfego).

Rápida convergência: as informações sobre as melhores rotas são rapidamente recebidas e incorporadas pelos roteadores envolvidos (lentidão na convergência pode gerar “loops” ou quedas da rede).

Flexibilidade: adaptação rápida e precisa às mudanças da rede (disponibilidade do roteador, velocidade dos links, dimensionamento de filas de entrada e saída e atraso (latência) dos pacotes, etc..).

25 Classificação dos algoritmos de roteamento

Estático ou dinâmico? Estático:

As rotas mudam lentamente ao longo do tempo. Dinâmico:

As rotas mudam mais rapidamente. Podem responder a mudanças no custo dos enlaces. Atualizações periódicas da Tabela de Roteamento.

Global ou Descentralizada? Global:

Todos os roteadores têm informações completas da topologia e do custos dos enlaces.

Algoritmos “link state”. Descentralizada:

Roteadores só conhecem informações sobre seus vizinhos e os enlaces para eles.

Troca de informações com os vizinhos. Algoritmos “distance vector”.

26 Global: Algorítmo “Link State”de roteamento dinâmico

O roteador mantém o mapa lógico de “toda” a rede.

Os roteadores somente trocam informações entre si quando ocorrer uma mudança na rota ou serviço.

Os mapas da rede vão sendo “construídos” em cada roteador (“convergência”).

Roteador inunda (“flooding”) a rede com informações de todos os seus enlaces (conexões para redes e conexões para outros roteadores) e as alterações são conhecidas imediatamente.

Eficiente, mas é mais complexo para configurar.

Conhecido como “Primeiro Caminho Mais Curto” (Shortest Path First).

Exemplo: OSPF – Open Shortest Path First.

27

Descentralizado: Algorítmo “Distance Vector” de roteamento dinâmico

O roteador mantém o mapa lógico de parte da rede.

Somente os roteadores vizinhos trocam, periodicamente, mensagens de suas tabelas de roteamento entre si, mesmo que não tenham sido alteradas desde a última troca de informações.

A Tabela de Roteamento tem informação necessária para atingir o próximo roteador na direção de cada um dos roteadores existentes na rede (Próximo Hop).

Também chamado roteamento por rumor (routing by rumor).

Fácil de configurar, mas é um processo mais lento de “aprendizado” para os roteadores otimizarem suas Tabelas de Roteamento.

Exemplo: RIP e IGRP.

28

Internet:Por que usar Roteamento hierárquico?

Supondo uma idealização para fins de estudo: Roteadores são todos idênticos. Redes “flat” (o plano de numeração é livre e não depende

de região). … na prática, isso não é verdade ou possível.

Escala: com 200 milhões de destinos: Não é possível armazenar todos os destinos numa única

tabela de rotas! As mudanças na tabela de rotas irão congestionar os

enlaces!

A realidade é uma Autonomia Administrativa: Internet = rede de redes. Cada administração de rede pode querer controlar o

roteamento na sua própria rede.

29

Roteamento hierárquico Agrega roteadores em regiões, chamados

“sistemas autônomos ” (AS-Autonomous System).

As regiões AS são interligadas usando roteadores Gateway que estão na borda da rede AS.

Roteadores no mesmo AS rodam o mesmo protocolo de roteamento. Protocolo de roteamento “intra-AS” (Dentro da

Rede).

Roteador Gateway interligam : Tem link direto para um roteador em outro AS.

30

Roteamento intra-AS Também conhecido como Interior Gateway

Protocols (IGP).

Protocolos de roteamento intra-AS mais comuns: RIP: Routing Information Protocol. OSPF: Open Shortest Path First. IGRP: Interior Gateway Routing Protocol

(proprietário da Cisco).

31 Roteamento inter-AS da Internet: BGP

BGP (Border Gateway Protocol): é o padrão de fato para uso na Internet.

BGP provê cada AS dos meios para: Obter informações de alcance de sub-rede dos

Assinantes Vizinhos. Propagar informações de alcance para todos os

roteadores internos ao AS. Determinar “boas” rotas para as sub-redes

baseado em informações de alcance e política.

Permite que uma subnet comunique sua existência para o resto da Internet: “Estou aqui”.

32 BGP – Border Gateway Protocol:conceitos básicos

Pares de roteadores (BGP peers) trocam informações de roteamento por conexões TCP semi-permanentes: sessões BGP.

Note que as sessões BGP não correspondem aos links físicos.

Quando AS2 comunica um prefixo ao AS1, AS2 está prometendo que irá encaminhar todos os datagramas destinados a esse prefixo em direção ao prefixo.

AS2 pode agregar prefixos em seu comunicado.