Ειδικά Θέματα Δικτύων ΙΙ Ενότητα 9: Shortest Path First - SPF Νικολάου Σπύρος Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί ενότητας Αυτή η ενότητα πραγματεύεται ζητήματα σχετικά με το SPF. 4
Περιεχόμενα ενότητας (1/2) Δέντρο SPF. Καθορισμός της συντομότερης διαδρομής. Δημιουργία ενός πίνακα δρομολόγησης από το δέντρο SPF. Πλεονεκτήματα των πρωτοκόλλων δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης. Γρήγορη σύγκλιση. Ενημερώσεις event-driven. 5
Περιεχόμενα ενότητας (2/2) Ιεραρχική σχεδίαση. Απαιτήσεις ενός πρωτοκόλλου δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης. Απαιτήσεις Μνήμης. Απαιτήσεις επεξεργασίας. Απαιτήσεις εύρους ζώνης. Βιβλιογραφία. 6
Shortest Path First - SPF
Δέντρο SPF (1/9) Η κατασκευή του δέντρου SPF. Ας εξετάσουμε λεπτομερώς πώς ο δρομολογητής R2 κατασκευάζει το δέντρο SPF χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες κατάστασης ζεύξης από όλους τους άλλους δρομολογητές ο δρομολογητής R2 μπορεί να ξεκινήσει να κατασκευάζει ένα δέντρο SPF του δικτύου με τον εαυτό του ως ρίζα του δέντρου. Παρακάτω βλέπουμε τον R2 πριν την σύνδεσή με τους άλλους υπολογιστές καθώς επίσης και τη διαδικασία κατασκευής δέντρου. 8
Δέντρο SPF (2/9) Εικόνα 1: Διαδικασία κατασκευής δέντρου. Πηγή: Διδάσκων (2015). 9
Δέντρο SPF (3/9) Εικόνα 2: Διαδικασία κατασκευής δέντρου (Συνέχεια). Πηγή: Διδάσκων (2015). 10
Δέντρο SPF (4/9) Ο αλγόριθμος SPF ξεκινάει από την επεξεργασία των παρακάτω πληροφοριών LSP από τον δρομολογητή R1: 1. Συνδέεται με τον γειτονικό δρομολογητή R2 στο δίκτυο 10.2.0.0/16, το κόστος είναι 5. 2. Συνδέεται με τον γειτονικό δρομολογητή R4 στο δίκτυο 10.9.0.0/16, το κόστος είναι 10. 3. Έχει ένα δίκτυο 10.1.0.0/16, το κόστος είναι 3. 11
Δέντρο SPF (5/9) Ο δρομολογητής R2 μπορεί να αγνοήσει το πρώτο LSP (πακέτο κατάστασης ζεύξης), επειδή ο δρομολογητής R2 γνωρίζει ήδη ότι συνδέεται με τον δρομολογητή R1 στο δίκτυο 10.2.0.0/16 με κόστος 5. Ο δρομολογητής R2 μπορεί να χρησιμοποιήσει το δεύτερο LSP και να δημιουργήσει μια σύνδεση από τον δρομολογητή R1 σε έναν άλλο δρομολογητή, τον δρομολογητή R4, με δίκτυο το 10.9.0.0/16 και κόστος 10. Αυτή η πληροφορία προστίθεται στο δέντρο SPF. 12
Δέντρο SPF (6/9) Χρησιμοποιώντας το τρίτο LSP (πακέτο κατάστασης ζεύξης), ο δρομολογητής R2 ενημερώνεται ότι ο δρομολογητής R1 έχει ένα δίκτυο το 10.1.0.0/16 με κόστος 3 και χωρίς γείτονες. Αυτή η σύνδεση προστίθεται στο δέντρο SPF του δρομολογητή R2. Ο αλγόριθμος SPF επεξεργάζεται τα LSPs από τον δρομολογητή R3: 1. Συνδέεται με τον γειτονικό δρομολογητή R2 στο δίκτυο 10.4.0.0/16 με κόστος 5. 2. Συνδέεται με τον γειτονικό δρομολογητή R4 στο δίκτυο 10.7.0.0/16 με κόστος 5. 3. Έχει ένα δίκτυο 10.5.0.0/16 με κόστος 3. 13
Δέντρο SPF (7/9) Ο δρομολογητής R2 μπορεί να αγνοήσει το πρώτο LSP, επειδή ο δρομολογητής R2 γνωρίζει ήδη ότι είναι συνδεδεμένος με τον δρομολογητή R3 στο δίκτυο 10.4.0.0/16 με κόστος 5. Αυτή η πληροφορία προστίθεται στο δέντρο SPF. Χρησιμοποιώντας το τρίτο LSP, ο δρομολογητής R2 ενημερώνεται ότι ο δρομολογητής R3 έχει ένα δίκτυο 10.5.0.0/16 με κόστος 3 και χωρίς γείτονες. Αυτή η σύνδεση προστίθεται στο δέντρο SPF του δρομολογητή R2. 14
Δέντρο SPF (8/9) Ο αλγόριθμος SPF επεξεργάζεται τα LSPs από τον δρομολογητή R4: 1. Συνδέεται με τον γειτονικό δρομολογητή R1 στο δίκτυο 10.9.0.0/16, με κόστος 10. 2. Συνδέεται με τον γειτονικό δρομολογητή R3 στο δίκτυο 10.7.0.0/16 με κόστος 5. 3. Έχει ένα δίκτυο 10.8.0.0/16, με κόστος 3. 15
Δέντρο SPF (9/9) Ο δρομολογητής R2 μπορεί να αγνοήσει το πρώτο LSP επειδή ο δρομολογητής R1 γνωρίζει ήδη ότι συνδέεται με τον δρομολογητή R4 στο δίκτυο 10.9.0.0/16 με κόστος 10. Ο δρομολογητής R2 μπορεί επίσης να αγνοήσει και το δεύτερο LSP επειδή το SPF έχει ενημερωθεί από τον δρομολογητή για το δίκτυο 10.7.0.0/16 με κόστος 5. 16
Καθορισμός της συντομότερης διαδρομής (1/5) Αναφερόμενοι στην τοπολογία, επειδή όλα τα LSPs (πακέτα κατάστασης ζεύξης) έχουν επεξεργαστεί χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο SPF, ο δρομολογητής R2 έχει πλέον κατασκευάσει το πλήρες δέντρο SPF. Δεν χρησιμοποιούνται οι συνδέσεις 10.7.0.0/16 και 10.9.0.0/16 για να φθάσουμε σε άλλα δίκτυα, επειδή υπάρχουν διαδρομές μικρότερες ή με χαμηλότερο κόστος. 17
Καθορισμός της συντομότερης διαδρομής (2/5) Ωστόσο, τα δίκτυα αυτά εξακολουθούν να υπάρχουν ως μέρος του δέντρου SPF και χρησιμοποιούνται για να φτάσουν τις συσκευές σε αυτά τα δίκτυα. Σημείωση: Ο πραγματικός αλγόριθμος SPF προσδιορίζει τη συντομότερη διαδρομή καθώς χτίζει το δέντρο SPF. Το έχουμε φτιάξει σε δύο βήματα για την απλοποίηση της κατανόησης του αλγορίθμου. Χρησιμοποιώντας αυτό το δέντρο, τα αποτελέσματα του αλγόριθμου SPF μας δείχνουν την συντομότερη διαδρομή για κάθε δίκτυο. Εμφανίζονται μόνο τα τοπικά δίκτυα στον πίνακα, αλλά το SPF μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό της συντομότερης διαδρομή και σε δίκτυα σύνδεσης WAN. 18
Καθορισμός της συντομότερης διαδρομής (3/5) Πίνακας 1: Το δέντρο SPF για τον δρομολογητή R2. Πηγή: Διδάσκων (2015). Προορισμός Μικρότερο μονοπάτι Κόστος R1 LAN R2 -> R1 8 R1 LAN R2 ->R3 8 R4 LAN R2 -> R3 -> R4 13 19
Καθορισμός της συντομότερης διαδρομής (4/5) Στην περίπτωση αυτή, ο δρομολογητής R2 προσδιορίζει ότι η συντομότερη διαδρομή για κάθε δίκτυο είναι: Για το δίκτυο 10.1.0.0/16 μέσω της σειριακής 2/0 του δρομολογητή R1 με κόστος 8. Για το δίκτυο 10.5.0.0/16 μέσω της σειριακής 3/0 του δρομολογητή R3 με κόστος 8. Για το δίκτυο 10.7.0.0/16 μέσω της σειριακής 3/0 του δρομολογητή R3 με κόστος 10. Για το δίκτυο 10.8.0.0/16 μέσω της σειριακής 3/0 του δρομολογητή R3 με κόστος 13. Για το δίκτυο 10.9.0.0/16 μέσω της σειριακής 2/0 του δρομολογητή R1 με κόστος 15. 20
Καθορισμός της συντομότερης διαδρομής (5/5) Κάθε δρομολογητής κατασκευάζει το δικό του SPF δέντρο ανεξάρτητα από όλους τους άλλους δρομολογητές. Για να διασφαλιστεί η σωστή δρομολόγηση, οι βάσεις δεδομένων κατάστασης ζεύξης που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αυτών των δέντρων πρέπει να είναι πανομοιότυπες σε όλους τους δρομολογητές. 21
Δημιουργία ενός πίνακα δρομολόγησης από το δέντρο SPF (1/3) Χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες για την συντομότερη διαδρομή που καθορίζεται από τον αλγόριθμο SPF, αυτές οι διαδρομές μπορούν τώρα να προστεθούν στον πίνακα δρομολόγησης. Μπορείτε να δείτε ότι έχουν προστεθεί οι ακόλουθες διαδρομές στον πίνακα δρομολόγησης του δρομολογητή R1: 10.1.0.0/16 via R1 Serial 2/0, cost = 8. 10.5.0.0/16 via R3 Serial3/0, cost = 8. 10.7.0.0/16 via R3 Serial 3/0, cost = 10. 10.8.0.0/16 via R3 Serial 3/0, cost = 13. 10.9.0.0/16 via R1 Serial 2/0, cost = 15. 22
Δημιουργία ενός πίνακα δρομολόγησης από το δέντρο SPF (2/3) Εικόνα 3: Δημιουργία ενός πίνακα δρομολόγησης από το δέντρο SPF. Πηγή: Διδάσκων (2015). 23
Δημιουργία ενός πίνακα δρομολόγησης από το δέντρο SPF (3/3) Ο πίνακας δρομολόγησης θα περιλαμβάνει επίσης όλα τα απευθείας συνδεδεμένα δίκτυα και τις διαδρομές από άλλες πηγές, όπως οι στατικές διαδρομές. Τα πακέτα τώρα θα προωθηθούν σύμφωνα με αυτές τις καταχωρήσεις του πίνακα δρομολόγησης. 24
Πλεονεκτήματα των πρωτοκόλλων δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης (1/2) Τα πλεονεκτήματα του πρωτοκόλλου δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης σε σχέση με τα πρωτόκολλα δρομολόγησης διανυσματικής απόστασης είναι τα εξής: Κατασκευάζει έναν τοπολογικό χάρτη. Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης δημιουργούν έναν τοπολογικό χάρτη, ή ένα δέντρο SPF της τοπολογίας του δικτύου. Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης διανυσματικής απόστασης δεν έχουν τοπολογικό χάρτη του δικτύου. 25
Πλεονεκτήματα των πρωτοκόλλων δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης (2/2) Οι δρομολογητές εφαρμόζουν πρωτόκολλο δρομολόγησης διανυσματικής απόστασης μόνο όταν έχουν μια λίστα των δικτύων, η οποία περιλαμβάνει το κόστος (την απόσταση) και τους δρομολογητές επόμενου άλματος (κατεύθυνση) σε αυτά τα δίκτυα. Επειδή τα πρωτόκολλα δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης ανταλλάσουν καταστάσεις ζεύξης, ο αλγόριθμος SPF μπορεί να κατασκευάσει ένα δέντρο SPF του δικτύου. Χρησιμοποιώντας το SPF δέντρο, ο κάθε δρομολογητής μπορεί ανεξάρτητα να καθορίζει την συντομότερη διαδρομή για κάθε δίκτυο. 26
Γρήγορη σύγκλιση Όταν λαμβάνετε ένα πακέτο κατάστασης ζεύξης(lsp), τα πρωτόκολλα δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης πλημμυρίζουνμοιράζουν αμέσως το LSP σε όλες τις διεπαφές εκτός από την διεπαφή που ελήφθη το LSP. Ένας δρομολογητής που χρησιμοποιεί ένα πρωτόκολλο δρομολόγησης διανυσματικής απόστασης πρέπει να επεξεργάζεται κάθε ενημέρωση δρομολόγησης και να ενημερώνει τον πίνακα δρομολόγησης του πριν μοιράσει την πληροφορία έξω προς άλλες διεπαφές, ακόμη και με τις ενημερώσεις ενεργοποίησης. Επιτυγχάνεται ταχύτερη σύγκλιση για τα πρωτόκολλα δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης. Μια αξιοσημείωτη εξαίρεση είναι το πρωτόκολλο EIGRP. 27
Ενημερώσεις event-driven Μετά το πρώτο μοίρασμα των LSPs, τα πρωτόκολλα δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης στείλουν έξω μόνο ένα LSP όταν υπάρχει κάποια αλλαγή στην τοπολογία. Το LSP περιέχει μόνο τις πληροφορίες σχετικά με την σύνδεση που άλλαξε. Σε αντίθεση με κάποια πρωτόκολλα δρομολόγησης διανυσματικής απόστασης,τα πρωτόκολλα δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης δεν στέλνουν περιοδικές ενημερώσεις. Σημείωση: Οι δρομολογητές με OSPF κατακλύζουν με πληροφορίες τις δικές τους καταστάσεις ζεύξης κάθε 30 λεπτά. 28
Ιεραρχική σχεδίαση Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης όπως το OSPF (Open Shortest Path First) και το IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) χρησιμοποιούν την έννοια των περιοχών. Πολλαπλές περιοχές δημιουργούν μια ιεραρχική σχεδίαση για τα δίκτυα, επιτρέποντας την καλύτερη συνάθροιση διαδρομής (συνόψιση) και την απομόνωση των θεμάτων δρομολόγησης μέσα σε ένα χώρο. 29
Απαιτήσεις ενός πρωτοκόλλου δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης (1/4) Τα σύγχρονα πρωτόκολλα δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης έχουν σχεδιαστεί με σκοπό να ελαχιστοποιούν τις επιπτώσεις στη μνήμη, στην CPU, και στο εύρος ζώνης. Η χρήση και η διαμόρφωση των πολλαπλών περιοχών μπορεί να μειώσει το μέγεθος των βάσεων δεδομένων κατάστασης ζεύξης. Οι πολλαπλές περιοχές μπορούν επίσης να περιορίσουν την ποσότητα των πληροφοριών κατάστασης ζεύξης που μοιράζεται σε μια περιοχή δρομολόγησης και στέλνει LSPs μόνο στους δρομολογητές που τα χρειάζονται. 30
Απαιτήσεις ενός πρωτοκόλλου δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης (2/4) Για παράδειγμα, όταν υπάρχει μια αλλαγή στην τοπολογία, μόνο οι δρομολογητές που επηρεάζονται από την αλλαγή λαμβάνουν το LSP και τρέχουν τον αλγόριθμο SPF. Αυτό μπορεί να βοηθήσει στην απομόνωση μιας ασταθούς σύνδεσης σε μια συγκεκριμένη περιοχή στον τομέα δρομολόγησης. Yπάρχουν τρεις ξεχωριστές περιοχές δρομολόγησης: Περιοχή 1, Περιοχή 0 και Περιοχή 51. 31
Απαιτήσεις ενός πρωτοκόλλου δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης (3/4) Εάν πέσει ένα δίκτυο στην περιοχή 51, το LSP με τις πληροφορίες σχετικά με την σύνδεση που έπεσε μοιράζεται μόνο σε άλλους δρομολογητές σε αυτή την περιοχή. Μόνο οι δρομολογητές στην περιοχή 51 θα χρειαστεί να ενημερώσουν τις βάσεις δεδομένων κατάστασης ζεύξης τους, να εκτελέσουν ξανά τον αλγόριθμο SPF, να δημιουργήσουν ένα νέο δέντρο SPF, και να ενημερώσουν τους πίνακες δρομολόγησης τους. 32
Απαιτήσεις ενός πρωτοκόλλου δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης (4/4) Οι δρομολογητές σε άλλους περιοχές θα μάθουν ότι αυτή η διαδρομή έχει πέσει, αλλά αυτό θα συμβεί με την αποστολή ενός τύπου πακέτου κατάστασης ζεύξης που δεν θα τους προκαλεί την επανεκτέλεση του αλγόριθμου SPF τους. Οι δρομολογητές σε άλλες περιοχές μπορούν να ενημερώσουν άμεσα τους πίνακες δρομολόγησης τους. 33
Απαιτήσεις Μνήμης Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης συνήθως απαιτούν περισσότερη μνήμη, μεγαλύτερη επεξεργασία CPU, και μερικές φορές και περισσότερο εύρος ζώνης από ό, τι τα πρωτόκολλα δρομολόγησης διανυσματικής απόστασης. Οι απαιτήσεις στην μνήμη οφείλονται στη χρήση των βάσεων δεδομένων κατάστασης ζεύξης και στην δημιουργία του δέντρου SPF. 34
Απαιτήσεις επεξεργασίας Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης απαιτούν επίσης περισσότερη επεξεργασία CPU από ότι τα πρωτόκολλα δρομολόγησης διανυσματικής απόστασης. Ο αλγόριθμος SPF απαιτεί περισσότερο χρόνο της CPU από τον αλγόριθμο απόστασης διανύσματος όπως είναι ο Bellman-Ford, διότι τα πρωτόκολλα δρομολόγησης κατάστασης ζεύξης κατασκευάζουν έναν πλήρη χάρτη της τοπολογίας. 35
Απαιτήσεις εύρους ζώνης Το μοίρασμα των πακέτων κατάστασης ζεύξης μπορεί να επηρεάσει αρνητικά το διαθέσιμο εύρος ζώνης σε ένα δίκτυο. Αυτό μπορεί να συμβεί μόνο κατά τη διάρκεια της αρχικής εκκίνησης των δρομολογητών, αλλά μπορεί επίσης να είναι ένα πρόβλημα για ασταθή δίκτυα. 36
Βιβλιογραφία 1. Doherty, J., Anderson, N., & Maggiora, D. P. (2010). Ο οδηγός της Cisco για τη δικτύωση. Εκδόσεις Κλειδάριθμος, Αθήνα. 2. Comer, E. D. (2007).Δίκτυα και διαδίκτυα υπολογιστών. Εκδόσεις Κλειδάριθμος, Αθήνα. 3. Peterson, L. L. & Davie, S. B. (2009). Δίκτυα υπολογιστών: Μία προσέγγιση απο τη σκοπιά των συστημάτων. Εκδόσεις Κλειδάριθμος, Αθήνα. 4. Comer, E. D. (2001). Διαδίκτυα με TCP/IP: Αρχές, πρωτόκολλα και αρχιτεκτονικές. Εκδόσεις Κλειδάριθμος, Αθήνα. 5. Ράπτης, Β. (2004). Δίκτυα δεδομένων - Θεωρία και εφαρμογές. Εκδότης Ράπτης Βασίλειος. 37
Τέλος Ενότητας
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Νικολάου Σπύρος. «Ειδικά Θέματα Δικτύων ΙΙ». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 39
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 40
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 41
Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφίες. Βιβλιογραφικές Πηγές. 42