Δίκτυα Υπολογιστών ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ενότητα 5: Δρομολόγηση πληροφορίας στα δίκτυα πακέτων και στο διαδίκτυο Δρ. Χαράλαμπος Ζ. Πατρικάκης Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε Κάντε κλικ για να ξεκινήσετε
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 Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» 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
Ευχαριστίες Στην ανάπτυξη του υλικού βοήθησαν οι συνεργάτες του εργαστηρίου Δημήτρης Κόγιας, Μάνος Μιχαηλίδης και οι φοιτητές Λάζαρος Τουμανίδης, Στέφανος Μπογδάνης, Γιώργος Μπελτάος, Γιώργος Τσούκας. 4
Βιβλιογραφία James F. Kurose - Keith W. Ross, Δικτύωση Υπολογιστών, εκδ. Γκιούρδας. Tanenbaum, Wetherall, Δίκτυα Υπολογιστών, Εκδ. Κλειδάριθμος. Douglas E. Comer, Δίκτυα και διαδίκτυα υπολογιστών και εφαρμογές τους στο Internet, Κλειδάριθμος. Monteiro, J. M., Cruz, R. S., Patrikakis, C. Z., Papaoulakis, N. C., Calafate, C. T., & Nunes, M. S. (2013). Peer-to-Peer Video Streaming. In R. Farrugia, & C. Debono (Eds.), Multimedia Networking and Coding (pp. 254-313). Hershey, PA: Information Science Reference. doi:10.4018/978-1-4666-2660-7.ch010. Charalampos Z. Patrikakis, Angelos- Christos Anadiotis, Penetrating with DDoS Attacks, (διαθέσιμο στο διαδίκτυο: http://pentestmag.com), PenTest Magazine, vol2 no 5, Aug 2012, pp [16-22]. Pendegraft, N. (2003). The TCP/IP Game. In T. McGill (Ed.), Current Issues in IT Education (pp. 117-124). Hershey, PA: IRM Press. doi:10.4018/978-1- 93177-753-7.ch009. Τμήμα των σημειώσεων είναι βασισμένο σε συνοδευτικό υλικό του βιβλίου των James F. Kurose - Keith W. Ross, Computer Networking, Pearson publications 5
Περιεχόμενα 5.1 Επίπεδο δικτύου. 5.2 Δρομολόγηση σε δίκτυα IP (Αλγόριθμοι δυναμικής δρομολόγησης, ο Αλγόριθμος του Dijkstra). 5.3 Μεταγωγή δεδομένων σε δίκτυα πακέτων. 6
Προσδοκώμενα Αποτελέσματα Στην ενότητα αυτή θα μάθετε για: Βασικές αρχές δρομολόγησης σε δίκτυα πακέτων, Εικονικά κυκλώματα, Δρομολόγηση από άκρο σε άκρο στο διαδίκτυο, Αλγόριθμους εύρεσης συντομότερης διαδρομής σε δίκτυα IP. 7
5.1 Επίπεδο δικτύου 8
Επίπεδο δικτύου (λειτουργία) Μεταφορά segments ανάμεσα σε υπολογιστές με χρήση πακέτων. Στην πλευρά του αποστολέα τα segments ενθυλακώνονται μέσα σε datagrams. Στην πλευρά του παραλήπτη, το επίπεδο δικτύου διανέμει τα segments στο επίπεδο μεταφοράς. Υπάρχουν πρωτόκολλα επιπέδου δικτύου σε κάθε υπολογιστή και δρομολογητή. Οι δρομολογητές εξετάζουν τα πεδία της επικεφαλίδας (header fields) σε όλα τα IP datagrams που περνούν από αυτούς και τα δρομολογούν ανάλογα. 9
Δύο σημαντικές λειτουργίες του επιπέδου δικτύου Προώθηση(forwarding): Μετακίνηση πακέτων από μια είσοδο του δρομολογητή (router) στην κατάλληλη έξοδο αυτού. Απλή προώθηση πακέτων δεδομένων με την ανταλλαγή ελάχιστης πληροφορίας. Δρομολόγηση(routing): Καθορίζει το δρόμο που θα ακολουθήσουν τα πακέτα από την πηγή στον προορισμό. Σχεδιασμός δρομολογίου από την πηγή στον προορισμό. 10
Συνεργασία μεταξύ δρομολόγησης και προώθησης P2 Net G P1 R3 Net B P1 Net A P1 P2 R1 P3 Net D P3 P2 Start P4 Net C ROUTING TABLE: R1 Δρομολόγηση προς Destination Net G Net F Port P2 P3 Έξοδος από Net J P4 11
Μοντέλο υπηρεσιών δικτύου Ανάγκη για συγκεκριμένο μοντέλο υπηρεσίας το οποίο έχει απαιτήσεις: όσον αφορά τον τρόπο δρομολόγησης και διανομής των πακέτων, τις δυνατότητες για δρομολόγηση συγκεκριμένου όγκου πληροφορίας μέσα στη μονάδα του χρόνου, αντίστοιχες εγγυήσεις. Παραδείγματα: Εγγυημένη διανομή σε σειρά (in-order). Εγγυημένη διανομή με καθυστέρηση μικρότερη από Χ msec. Εγγυημένο ελάχιστο εύρος ζώνης για μία συγκεκριμένη ροή. Περιορισμοί όσον αφορά αλλαγές στην απόσταση μεταξύ των πακέτων (inter-packet spacing). 12
Μοντέλα υπηρεσιών στρώματος δικτύου: Αρχιτεκτονική δικτύου Μοντέλο υπηρεσίας Εύρος ζώνης Εγγυήσεις Απωλ. Διάταξη Χρονισμός Ένδειξη Συμφόρησης Διαδίκτυο ATM ATM ATM ATM Βέλτιστη προσπάθεια CBR VBR ABR UBR Καμία Σταθερός Ρυθμός Εγγυημένος Ρυθμός Εγγυημένο ελάχιστο Καμία όχι ναι ναι όχι όχι όχι ναι ναι ναι ναι όχι ναι ναι όχι όχι Όχι (αντιληπτή μέσω απώλειας) Δεν εμφανίζεται συμφόρηση Δεν εμφανίζεται συμφόρηση Ναι Καμία 13
Συνδεσιστρεφής (connection oriented)και ασυνδεσιστρεφής (connection-less) υπηρεσία δικτύου Το διαδίκτυο παρέχει ασυνδεσιστρεφή υπηρεσία επιπέδου δικτύου. Η χρήση εικονικού κυκλώματος (VC) παρέχει συνδεσιστρεφή υπηρεσία επιπέδου δικτύου (π.χ. ATM). Ανάλογη λειτουργία με το επίπεδο μεταφοράς, αλλά: Λειτουργία σε επίπεδο τερματικών-κόμβων και όχι διεργασιών. Δεν υπάρχει επιλογή: το δίκτυο παρέχει το ένα ή το άλλο. Εφαρμογή/εκτέλεση: στον πυρήνα του δικτύου. 14
Εγκατάσταση (setup) σύνδεσης Πριν ξεκινήσει η ροή των datagrams, οι άκρες του δικτύου, καθώς και οι ενδιάμεσοι κόμβοι, εγκαθιδρύουν μία νοητή σύνδεση (virtual connection). Σε αυτή συμμετέχουν και οι δρομολογητές. Στο επίπεδο μεταφοράς αυτό γίνονταν μόνο ανάμεσα στα δύο άκρα, χωρίς το δίκτυο να γνωρίζει τίποτα γι αυτή τη σύνδεση. 15
Εικονικά κυκλώματα (Virtual Circuits) Το μονοπάτι από την πηγή προς τον προορισμό συμπεριφέρεται περισσότερο σαν τηλεφωνικό κύκλωμα. Δυνατότητα για εξασφάλιση ποιότητα υπηρεσίας. Ενέργειες δικτύου κατά μήκος του μονοπατιού. Εγκατάσταση, απεγκατάσταση κλήσης για κάθε κλήση πριν τη ροή δεδομένων. Κάθε πακέτο μεταφέρει ένα «αναγνωριστικό» του εικονικού κυκλώματος (VC identifier) και όχι τη διεύθυνση του τερματικού του προορισμού. Κάθε δρομολογητής στο μονοπάτι διατηρεί την κατάσταση κάθε σύνδεσης. Οι πόροι του δρομολογητή (εύρος ζώνης, ενταμιευτές) και του δικτύου (bandwidth) μπορούν να διατεθούν στο εικονικό κύκλωμα(vc). 16
Υλοποίηση εικονικού κυκλώματος Ένα εικονικό κύκλωμα αποτελείται από: 1. Μονοπάτι από την πηγή στον προορισμό. 2. Αριθμούς VC = ένα αριθμός για κάθε ζεύξη κατά μήκος του μονοπατιού. 3. Εγγραφές στους πίνακες προώθησης των δρομολογητών κατά μήκος του μονοπατιού. Το πακέτο φέρει τον αριθμό VC (αντί για τη διεύθυνση προορισμού). Ο αριθμός VC μπορεί να αλλάξει σε κάθε ζεύξη. Βασίζεται στη χρήση πρωτοκόλλων σηματοδοσίας: Χρήση για εγκατάσταση, διαχείριση και απεγκατάσταση VC. Χρησιμοποιούνται σε ATM, Frame-relay, X.25 Δεν χρησιμοποιούνται στο τωρινό Internet (IP protocol). 17
ROUTING TABLE: R1 Destination Port ROUTING TABLE: R2 Destination Port ROUTING TABLE: R6 Destination Port Net G P2 Net F P2 Net F P1 Net F P3 Net J P3 Net G P1 Net J P4 Net J P3 Net C P2 Net B P1 R3 P2 Net G P1 P1 P2 Net F R5 P3 Net H P1 P2 R6 P3 Net J End Net A P1 P2 R1 P3 Net D P3 P2 R4 Net I Start P4 Net C P1 P2 Net E R2 P3 Μεταγωγή πακέτων (IP) 2 βασικές λειτουργίες: routing + forwarding 18
ROUTING TABLE: R1 In I/F In VC# Out I/F Out VC# 1 12 2 18 1 23 4 66 2 17 1 55 ROUTING TABLE: R2 In I/F In VC# Out I/F Out VC# 1 32 3 55 1 66 3 98 2 67 1 13 3 46 2 12 ROUTING TABLE: R6 In I/F In VC# Out I/F Out VC# 1 24 1 19 2 98 3 22 2 55 3 67 2 1 R5 End 1 R3 2 3 1 R6 3 22 1 2 23 Start 1 2 4 R1 3 66 3 1 2 2 R4 R2 3 98 Μεταγωγή εικονικού κυκλώματος (VC): Προσυμφωνημένη διαδρομή 19
Λειτουργία πίνακας προώθησης Σειρά (range) διευθύνσεων προορισμού Διεπαφή εξόδου 11001000 00010111 00010000 00000000 έως 0 11001000 00010111 00010111 11111111 11001000 00010111 00011000 00000000 έως 1 11001000 00010111 00011000 11111111 11001000 00010111 00011001 00000000 έως 2 11001000 00010111 00011111 11111111 αλλιώς 3 20
Longest prefix matching Εύρεση της μεγαλύτερης σειράς (σε μήκος) η οποία περιέχεται μέσα στη διεύθυνση προορισμού, και δρομολόγηση στην αντίστοιχη διεπαφή Prefix match Διεπαφή εξόδου 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 2 αλλιώς 3 Παραδείγματα Ποιά διεπαφή; Διευθ. προορισμού: 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 Διευθ. προορισμού : 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 21
Δεδομενόγραμμα(Datagram) ή εικονικό κύκλωμα (VC-virtual circuit)? Διαδίκτυο (datagram) Ανταλλαγή δεδομένων ανάμεσα σε υπολογιστές με ελάχιστη υποστήριξη από το δίκτυο. ελαστικές υπηρεσίες, χωρίς αυστηρές προδιαγραφές χρονισμού. Έξυπνα τερματικά συστήματα (υπολογιστές) Μπορούν να προσαρμοστούν, να κάνουν έλεγχο λαθών και διόρθωση λαθών. Απλότητα στο δίκτυο, πολυπλοκότητα στην άκρη. Πολλοί τύποι ζεύξεων Διαφορετικά χαρακτηριστικά. Δύσκολη η ύπαρξη ενιαίας ενιαία υπηρεσίας. ATM (VC) Εξέλιξη τηλεφωνίας. Ανθρώπινη συνομιλία: Αυστηρός χρονισμός και προδιαγραφές αξιοπιστίας. Ανάγκη για εγγυημένη ποιότητα υπηρεσιών. Χαζά τερματικά. Αντίστοιχα με τηλέφωνα. Πολυπλοκότητα στο δίκτυο. 22
Μετάδοση UNICAST Πηγή: 172.16.137.10 Προορισμός: 172.16.137.13 172.16.137.10 Internet 172.16.137.13 172.16.137.11 172.16.137.12 23
Περιορισμένη Μετάδοση BROADCAST Πηγή: 172.16.137.10 Προορισμός: 255.255.255.255 172.16.137.10 Internet 172.16.137.13 172.16.137.11 172.16.137.12 24
MULTICAST 172.16.137.10 Πηγή: 172.16.137.10 Internet 172.16.137.14 172.16.137.11 172.16.137.13 224.10.10.5 172.16.137.12 224.10.10.5 25
Σύνοψη Μελετήσαμε: Τις λειτουργίες του Επιπέδου Δικτύου, Τις συνδεσιστρεφής και τις ασυνδεσιστρεφής υπηρεσίες του Επιπέδου Δικτύου, Εικονικά κυκλώματα και την υλοποίηση τους, Τη λειτουργία του πίνακα προώθησης. 26
5.2 Δρομολόγηση σε δίκτυα IP Αλγόριθμοι δυναμικής δρομολόγησης και ο Αλγόριθμος του Dijkstra 27
Αλγόριθμοι δυναμικής δρομολόγησης Οι αλγόριθμοι δυναμικής δρομολόγησης χρησιμοποιούνται για να μπορέσουν να υπολογίσουν δυναμικά τη συντομότερη διαδρομή ανάμεσα σε δύο κόμβους ενός δικτύου (άρα και να εκτελούνται κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του δικτύου). Είναι πολύ χρήσιμοι, αφού μπορούν στις περιπτώσεις όπου κάποια συγκεκριμένη διαδρομή του δικτύου γίνεται για κάποιο λόγο μη διαθέσιμη, να επανυπολογίσουν τον τρόπο δρομολόγησης της πληροφορίας. Στόχος: το δίκτυο να μπορεί να ανταποκριθεί στα όποια προβλήματα υπάρχουν, μέσω της εύρεσης νέας, εναλλακτικής διαδρομής που πρέπει να ακολουθήσουν τα πακέτα για να φτάσουν στον τελικό προορισμό τους. 28
Αλγόριθμοι κατάστασης ζεύξης (Link State ) Σε αυτούς, είναι γνωστά εκ των προτέρων: η τοπολογία του δικτύου, και το κόστος όλων των ζεύξεων Κάθε κόμβος μπορεί μετά να εκτελέσει ένα αλγόριθμο κατάστασης ζεύξης και να υπολογίσει το σύνολο διαδρομών ελαχίστου κόστους με κάθε άλλο κόμβο. Ο αλγόριθμος, κάνοντας χρήση των παραπάνω στοιχείων, μπορεί να υπολογίσει το ελάχιστο κόστος μετάβασης από έναν κόμβο σε οποιονδήποτε άλλο κόμβο του δικτύου. Με την ανταλλαγή πληροφοριών ανάμεσα στους κόμβους του δικτύου, είναι δυνατός ο σχηματισμός μίας πανομοιότυπης και πλήρους άποψης για το δίκτυο. 29
Ο αλγόριθμος του Dijkstra Ο αλγόριθμος του Dijkstra είναι ο πιο διάσημος από τους αλγόριθμους κατάστασης ζεύξης, και ο πλέον χρησιμοποιούμενος για την εύρεση ελαχίστων μονοπατιών (shortest-path) σε ένα γράφο ο οποίος αντιπροσωπεύει ένα δίκτυο. Ο αλγόριθμος επιλύει το πρόβλημα της εύρεσης του συντομότερου μονοπατιού σε γράφους στους οποίους οι ακμές έχουν μη αρνητικές τιμές, και υπολογίζει το μήκος του συντομότερου μονοπατιού που συνδέει έναν αρχικό κόμβο-πηγή με κάθε άλλο κόμβο-προορισμό μέσα στο γράφο. Ο αλγόριθμος είναι επαναληπτικός και με δεδομένο έναν αρχικό κόμβο, μετά από τη ν-ιοστή επανάληψή του, είναι γνωστές οι διαδρομές ελαχίστου κόστους από τον αρχικό κόμβο, προς ν από τους συνολικούς κόμβους του γράφου. 30
Ο αλγόριθμος εν συντομία Ο αλγόριθμος, όπως είπαμε είναι επαναληπτικός και λειτουργεί ως εξής: Ξεκινάμε από μία φάση αρχικοποίησης, όπου θεωρούμε ότι η απόσταση από τον αρχικό κόμβο, προς όλους τους υπόλοιπους είναι άπειρη (και προς τον εαυτό του φυσικά μηδενική). Στη συνέχεια επαναλαμβάνουμε τα παρακάτω βήματα: Από τους κόμβους που δεν έχουμε εξετάσει ακόμα, επιλέγουμε αυτόν ο οποίος έχει τη μικρότερη απόσταση από τον αρχικό κόμβο (την πρώτη φορά τον ίδιο τον κόμβο λοιπόν), και αυτός γίνεται ο υπό εξέταση κόμβος. Ενημερώνουμε την απόσταση του αρχικού κόμβου προς κάθε γειτονικό κόμβο του υπό εξέταση (δηλαδή αφήνουμε εκτός αυτούς που έχουμε ήδη εξετάσει), ως εξής: η απόσταση του γειτονικού κόμβου, από τον αρχικό είναι η μικρότερη τιμή από τις δύο παρακάτω. την προηγούμενη απόσταση από τον αρχικό κόμβο προς κάποιον γειτονικό του υπό εξέταση κόμβου, και την απόσταση του υπό εξέταση κόμβου από τον αρχικό, συν την απόσταση από τον υπό εξέταση προς το συγκεκριμένο γειτονικό του Γιατί όμως είπαμε ότι ελέγχουμε μόνο τους γειτονικούς κόμβους που δεν έχουμε εξετάσει ακόμα; Δεν υπάρχει περίπτωση να βρούμε μικρότερη απόσταση και για κάποιον τον οποίο είχαμε ελέγξει νωρίτερα; 31
Νέο Παλιό Παλιό Ο αλγόριθμος σε μία γραμμή Έστω: a ο αρχικός κόμβος, x ο υπό εξέταση κόμβος, y ένας γειτονικός του ο οποίος δεν έχει ακόμα εξεταστεί, Dist(k,l) η ελάχιστη απόσταση από τον κόμβο k έως κόμβο l Cost(m,n) το κόστος μετάβασης από έναν κόμβο m στο γειτονικό του n, Τότε ο αλγόριθμος βασίζεται σε συνεχείς επαναλήψεις, όπου στο τέλος της καθεμίας έχουμε: Dist(a,y) = min { Dist(a,y), Dist(a,x) +Cost(x,y) } 32
Αλγόριθμοι δρομολόγησης διανύσματος ( Vector) Σε αντίθεση με τους αλγόριθμούς κατάστασης ζεύξης οι οποίοι χρησιμοποιούν καθολικές πληροφορίες για το δίκτυο, ένας αλγόριθμος δρομολόγησης διανύσματος είναι κατανεμημένος, και ασύγχρονος (είναι και επαναληπτικός). Στους αλγόριθμους δρομολόγησης διανύσματος, κάθε κόμβος δέχεται κάποιες πληροφορίες από έναν ή περισσότερους από τους απευθείας συνδεδεμένους γείτονές του, κάνει τους απαραίτητους υπολογισμούς και κατόπιν κατανέμει το αποτέλεσμα των υπολογισμών του, πίσω στους γείτονές του (κατανεμημένος). Όταν ξεκινάει ένας κόμβος του δικτύου, ξέρει μόνο τους άμεσους γείτονές του, και το κόστος ώστε να φτάσει σε αυτούς. (Αυτές οι πληροφορίες όπως η λίστα με τους προορισμούς, το κόστος για να φτάσει σε καθέναν καθώς και ποιος θα είναι ο επόμενος κόμβος (hop), σχηματίζουν τον πίνακα δρομολόγησης ενός κόμβου). Κάθε κόμβος, σε τακτικά χρονικά διαστήματα, στέλνει σε κάθε γείτονά του την δική του παρούσα αντίληψη για το κόστος που έχει υπολογίσει για όλους τους προορισμούς που του είναι γνωστοί. Οι γειτονικοί κόμβοι εξετάζουν αυτές τις πληροφορίες, τις συγκρίνουν με αυτές που ήδη έχουν και ενημερώνουν τον δικό τους πίνακα δρομολόγησης για όποιες βελτιώσεις. Με τον καιρό, όλοι οι κόμβοι του δικτύου ενημερώνονται για το καλύτερο επόμενο βήμα (hop) για όλους τους προορισμούς και το καλύτερο συνολικό κόστος. 33
Αλγόριθμος του Dijkstra (παράδειγμα επίλυσης) Θα εφαρμόσουμε τον αλγόριθμο, για όλους τους κόμβους του δικτύου, με αρχικό τον a d 80 e 30 20 75 10 a 35 25 c 15 50 30 f b g 34
30 d 20 80 75 e 10 a 35 25 c 15 50 30 f b g Network (current) b c d e f g node node node node initialization - - - - - - 35
30 30 d 20 80 75 e 10 a 35 25 c 15 50 30 f 35 b g Network (current) b c d e f g initialization - - - - - - a (0) 35 a - 30 a - - - 30 a 30 a 30 a 30 a 30 a 30 a 36
30 30 d 20 50 110 80 75 e 10 a 35 25 c 15 50 30 f 35 b g Network (current) b c d e f g initialization - - - - - - a (0) 35 a - 30 a - - - d (30) 35 a 50 d 30 a 110 d - - 35 a 30 a 35 a 30 a 35 a 30 a 35 a 30 a 35 a 30 a 37
30 30 d 20 50 110 80 75 e 10 a 35 25 c 15 50 30 f 35 60 b g Network (current) b c d e f g node node node node initialization - - - - - - a (0) 35 a - 30 a - - - d (30) 35 a 50 d 30 a 110 d - - b (35) 35 a 50 d 30 a 110 d - - 35 a 50 d 30 a 35 a 50 d 30 a 35 a 50 d 30 a 35 a 50 d 30 a 38
a 30 30 35 d 20 25 50 110 80 c 125 75 15 e 100 50 10 30 f 35 65 b g Network (current) b c d e f g node node node node initialization - - - - - - a (0) 35 a - 30 a - - - d (30) 35 a 50 d 30 a 110 d - - b (35) 35 a 50 d 30 a 110 d - - c (50) 35 a 50 d 30 a 110 d 100 c 65 c 35 a 50 d 30 a 65 c 35 a 50 d 30 a 65 c 35 a 50 d 30 a 65 c 39
30 30 d 20 50 110 80 75 e 10 a 35 35 25 c 65 15 50 30 95 f b g Network (current) b c d e f g node node node node initialization - - - - - - a (0) 35 a - 30 a - - - d (30) 35 a 50 d 30 a 110 d - - b (35) 35 a 50 d 30 a 110 d - - c (50) 35 a 50 d 30 a 110 d 100 c 65 c g (65) 35 a 50 d 30 a 110 d 95 g 65 c 35 a 50 d 30 a 95 g 65 c 35 a 50 d 30 a 95 g 65 c 40
30 30 d 20 50 110 80 75 e 10 105 a 35 25 c 15 50 30 f 35 65 95 b g Network (current) b c d e f g node node node node initialization - - - - - - a (0) 35 a - 30 a - - - d (30) 35 a 50 d 30 a 110 d - - b (35) 35 a 50 d 30 a 110 d - - c (50) 35 a 50 d 30 a 110 d 100 c 65 c g (65) 35 a 50 d 30 a 110 d 95 g 65 c f (95) 35 a 50 d 30 a 105 f 95 g 65 c 35 a 50 d 30 a 105 f 95 g 65 c 41
30 30 d 20 50 110 80 75 e 10 105 a 35 25 c 15 50 30 f 35 65 95 b g Network (current) b c d e f g node node node node initialization - - - - - - a (0) 35 a - 30 a - - - d (30) 35 a 50 d 30 a 110 d - - b (35) 35 a 50 d 30 a 110 d - - c (50) 35 a 50 d 30 a 110 d 100 c 65 c g (65) 35 a 50 d 30 a 110 d 95 g 65 c f (95) 35 a 50 d 30 a 105 f 95 g 65 c e (105) 35 a 50 d 30 a 105 f 95 g 65 c 42
30 30 d 20 50 110 80 75 e 10 105 a 35 25 c 15 50 30 f 35 65 95 b g Ποια είναι η ελάχιστη απόσταση από τον a στον e και ποια διαδρομή πρέπει να ακολουθήσω; Network (current) b c d e f g 105 e <- f <- g <- c <- d <- a node node node node initialization - - - - - - a (0) 35 a - 30 a - - - d (30) 35 a 50 d 30 a 110 d - - b (35) 35 a 50 d 30 a 110 d - - c (50) 35 a 50 d 30 a 110 d 100 c 65 c g (65) 35 a 50 d 30 a 110 d 95 g 65 c f (95) 35 a 50 d 30 a 105 f 95 g 65 c e (105) 35 a 50 d 30 a 105 f 95 g 65 c 43
Σύνοψη Μελετήσαμε: Τους αλγόριθμους κατάστασης ζεύξης και ιδιαίτερα τον αλγόριθμο του Dijkstra, Τους αλγόριθμους κατάστασης δρομολόγησης διανύσματος. 44
5.3 Μεταγωγή δεδομένων σε δίκτυα πακέτων 45
Επισκόπηση αρχιτεκτονικής δρομολογητή Δύο σημαντικές λειτουργίες των δρομολογητών: Τρέχουν αλγορίθμους/πρωτόκολλα δρομολόγησης (RIP, OSPF, BGP). Προωθούν δεδομενογράμματα από εισερχόμενη σε εξερχόμενη ζεύξη. 46
Λειτουργίες θύρας εισόδου Φυσικό στρώμα: Λήψη σε επίπεδο bit (bit-level reception) Επίπεδο ζεύξης δεδομένων: π.χ., Ethernet Αποκεντρωμένη μεταγωγή: Δεδομένου του προορισμού του δεδομενογράμματος, αναζήτηση θύρας εξόδου κάνοντας χρήση του πίνακα προώθησης στη μνήμη της θύρας εισόδου. Στόχος: να ολοκληρωθεί επιλογή της θύρας εξόδου σε ταχύτητα γραμμής ( line speed ). Ουρά: εαν τα δεδομενογράμματα φθάνουν γρηγορότερα από το ρυθμό προώθησης 47
Θύρες εξόδου Απαιτείται ενταμίευση (buffering) όταν τα datagrams φτάνουν ταχύτερα από το ρυθμό μετάδοσης. Scheduling discipline: επιλέγει ανάμεσα στα δεδομενογράμματα της ουράς για μετάδοση. 48
Θέματα καθυστερήσεων σε ουρές Ουρά θυρών εξόδου Ουρά θυρών εισόδου Ενταμίευση όταν ο ρυθμός άφιξης μέσω δρομολογητή ξεπερνά την ταχύτητα της γραμμής εξόδου. Καθυστέρηση ουράς και απώλειες εξαιτίας της υπερχείλισης του ενταμιευτή της θύρας εξόδου. Head-of-the-Line (HOL) blocking: το πρώτο δεδομενόγραμμα στην αρχή της ουράς εμποδίζει τα άλλα δεδομενογράμματα στην ουρά από το να προχωρήσουν μπροστά. Καθυστέρηση ουράς και απώλειες εξαιτίας της υπερχείλισης του ενταμιευτή της θύρας εισόδου. 49
Μεταγωγή δεδομένων (switching) Στόχος: Η όσο το δυνατόν ταχύτερη μεταγωγή πληροφορίας (πακέτων) από τον ενταμιευτή εισόδου στον ενταμιευτή εξόδου. Ρυθμός μεταγωγής ονομάζεται ο ρυθμός με τον οποίο τα πακέτα μπορούν να μεταχθούν από την είσοδο στην έξοδο. Τρείς τρόποι υλοποίησης του υλικού μεταγωγής (switching fabric). memory memory bus crossbar 50
Τρεις τύποι μεταγωγής (switching fabric) Μεταγωγή με χρήση μνήμης Οι πρώτοι μεταγωγείς λειτουργούσαν με αυτόν τον τρόπο. Στην ουσία αποτελούν υπολογιστές οι οποίοι έχουν σκοπό τη μεταγωγή πληροφορίας με τη χρήση μνήμης, και τον έλεγχο από μία ΚΜΕ (CPU). Περιορισμοί από ταχύτητα πρόσβασης στη μνήμη. Μεταγωγή με χρήση διαύλου Χρήση διαύλου για άμεση μεταφορά πακέτου από τον ενταμιευτή εισόδου στον ενταμιευτή εξόδου. Ανταγωνισμός για χρήση του διαύλου. Περιορισμοί από το μέγιστο ρυθμό που μπορεί να υποστηρίξει ο δίαυλος. Μεταγωγή με χρήση πλέγματος (crossbar) Δεν υπάρχουν οι περιορισμοί λόγω ανταγωνισμού για κοινό μέσο. Banyan networks, crossbar, networks. Δυνατότητα κατακερματισμού του datagram σε σταθερού μήκους κελιά για ταχύτερη μεταγωγή. 51
Χ25 Χρησιμοποιείται για μεταφορά πληροφορίας χαμηλού ρυθμού (μέχρι 64Kbps). Τα δεδομένα αποστέλλονται υπό τη μορφή πακέτων μέγιστου μήκους 128 Bytes. Είναι συνδεσιστρεφές (εγκατάσταση σύνδεσης πριν τη μεταφορά δεδομένων). Χρησιμοποιεί εικονικά κυκλώματα Επιλεγόμενο νοητό κύκλωμα (Switched Virtual Circuit, SVC), προσωρινό, δημιουργείται για την εξυπηρέτηση της επικοινωνίας και μετά τερματίζεται. Μόνιμο νοητό κύκλωμα (Permanent Virtual Circuit, PVC), ανάλογο με μία μισθωμένη γραμμή. Υποστηρίζει: Αξιοπιστία μετάδοσης, ορθή σειρά παράδοσης των πακέτων. Εκτελείται έλεγχος ροής. Αναμετάδοση σε περίπτωση σφάλματος ή χαμένων πακέτων. 52
Αναμετάδοση Πλαισίου (Frame Relay) Τα δεδομένα αποστέλλονται υπό τη μορφή πακέτων μέγιστου μήκους 1600 Bytes. Υπάρχει η δυνατότητα αποστολής προς πολλαπλούς παραλήπτες (Multicast). Η πληροφορία μεταφέρεται με ρυθμούς που αντιστοιχούν στη βασική και την πρωτεύουσα πρόσβαση ISDN (2B+D = 64+64+ 16 = 144Kbps και 30B + D = 1.936Mbps αντίστοιχα). Παρέχονται οι στοιχειώδεις λειτουργίες: Οριοθέτησης πλαισίων με εισαγωγή σημαιών στην αρχή και το τέλος κάθε πλαισίου. Παρεμβολής μηδενικών κάθε 5 άσσους, ώστε να μην επαναλαμβάνεται η σημαία στο εσωτερικό του πλαισίου. Δεν παρέχεται επαλήθευση παράδοσης πακέτων και έλεγχος ροής. 53
ATM (Asynchronous Transfer Mode) Πρότυπο το οποίο έχει υιοθετηθεί για την γρήγορη επικοινωνία ευρυζωνικών δικτύων (broadband networks). Χρησιμοποιεί κελιά (cells) σταθερού μήκους 53 Bytes. Ιεραρχική οργάνωση UNI User to Network Inteface για σύνδεση τερματικών. NNI Network to Network Interface για διασύνδεση δικτυακών κόμβων. Χρήση σηματοδοσίας. Είναι συνδεσιστρεφές: Δύο επίπεδα όσον αφορά τις συνδέσεις Virtual Path Connections Virtual Channel Connections 5 Bytes 48 Bytes Header Payload Δομή κελιού ATM (ATM cell) 54
Εικονικές συνδέσεις στο ATM Virtual Paths (Virtual Path Identifier - VPI) Physical Link Virtual Channels (Virtual Channel Identifier VCI) 55
Δομή κελιού ATM ATM cell header GFC (4 bits) VPI (4 bits) VPI (4 bits) VCI (4 bits) VCI (4 bits) VCI (8 bits) PT (3 bits) HEC (8 bits) CLP (1 bit) Payload (48 bytes) 56
Στοίβα πρωτοκόλλων στο ΑΤΜ 57
Μεταγωγή στο ΑΤΜ Το σταθερό και μικρό μέγεθος των πακέτων ΑΤΜ συμβάλλει στη μείωση της καθυστέρησης αναμονής στους μεταγωγείς. Η επικεφαλίδα παρέχει μειωμένη λειτουργικότητα, ώστε να επιτρέπει την ταχεία εξυπηρέτηση του πακέτου στους μεταγωγείς. Δεν υπάρχει προστασία από λάθη ούτε έλεγχος ροής. Μέσω εγκατάστασης σύνδεσης εξασφαλίζεται η δέσμευση των πόρων πριν αρχίσει η μετάδοση πληροφορίας. Μονάδα Ελέγχου κλήσης: εξετάζει αν υπάρχουν οι απαιτούμενοι πόροι για την εγκατάσταση κάθε αιτούμενης σύνδεσης πριν την αποδεχθεί. Τα πακέτα της ίδιας σύνδεσης μεταφέρονται πάντα διαδοχικά. Πακέτα διαφορετικών συνδέσεων πολυπλέκονται στο κοινό ρεύμα, με χρήση ιεραρχικής πολυπλεξίας ετικέτας. Η δρομολόγηση βασίζεται στη χρήση VPI και VCI. Ο συνδυασμός τους καθορίζει μια συγκεκριμένη σύνδεση. Το VPI/VCI δε διατηρείται σταθερό κατά τη διάρκεια της διαδρομής μετάδοσης. 58
Σύνοψη Μελετήσαμε: Τις λειτουργίες των θυρών εισόδου και εξόδου ενός δρομολογητή, Θέματα καθυστερήσεων σε ουρές, Τη μεταγωγή δεδομένων και τους τρόπους που μπορεί να συμβεί. 59
Σε αυτή την ενότητα μιλήσαμε για: 5.1 Επίπεδο δικτύου. 5.2 Δρομολόγηση σε δίκτυα IP (Αλγόριθμοι δυναμικής δρομολόγησης, ο Αλγόριθμος του Dijkstra). 5.3 Μεταγωγή δεδομένων σε δίκτυα πακέτων. 60
Δίκτυα Υπολογιστών ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ενότητα 5: Δρομολόγηση πληροφορίας στα δίκτυα πακέτων και στο διαδίκτυο Δρ. Χαράλαμπος Ζ. Πατρικάκης Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε