КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

1. Александр Масальскихrusalmas@gmail.com КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ Лекция №10 Сетевой уровень. Введение. Маршрутизация Санкт-Петербург, 2012

2. Сетевой уровень • Сетевой уровень решает задачу доставки пакетов от отправителя до получателя • Сетевой уровень прокладывает маршрут на всём протяжении следования информации • Сетевой уровень должен обеспечить независимость предоставления своих сервисов от низлежащих технологий • Сетевой уровень обеспечивает распределение нагрузки на маршрутизаторы и линии связи

3. Коммутация пакетов с ожиданием

4. Сетевой уровень • Задачи, ставившиеся при разработке сервисов сетевого уровня: • Сервисы сетевого уровня не должны зависеть от технологии маршрутизатора • Транспортный уровень должен быть независим от количества, типа и топологии присутствующих сетей с маршрутизаторами • Сетевые адреса, доступные транспортному уровню, должны использовать единую систему нумерации в локальных и глобальных сетях

5. Сетевой уровень • Первый подход: маршрутизатор только перемещает пакет с места на место, подсеть изначально обладает ненадёжностью и хосты должны сами учитывать ошибки и управлять потоком. • Второй подход: надёжный, ориентированный на соединение сервис, с обеспечением качества обслуживания. ATM

6. Сетевой уровень • Дейтаграммные сети, пакеты – дейтаграммы. Internet. • Подсети виртуальных каналов, с установкой виртуальных каналов. ATM.

7. Реализация сервиса без установления соединения

8. Реализация сервиса с установкой соединения

9. Сравнение дейтаграммного подхода и подхода с соединением

10. Алгоритмы маршрутизации • Алгоритмы, определяющие путь прохождения пакетов называются алгоритмами маршрутизации. • В дейтаграммной подсети выбор маршрута решается для каждого пакета. • В подсети виртуальных каналов маршрут выбирается только при установке канала (сеансовая маршрутизация). • Процесс пересылки определяет по таблицам маршрутизации исходящую линию. • За заполнение и обновление таблиц отвечает алгоритм маршрутизации.

11. Алгоритмы маршрутизации • Требования к алгоритму: • Корректность • Простота • Надёжность • Устойчивость • Справедливость • Оптимальность

12. Противоречие справедливости и оптимальности

13. Алгоритмы маршрутизации • Неадаптивные алгоритмы не учитывают при выборе маршрута топологию и текущее состояние сети и не измеряют трафик на линиях. Таблицы маршрутизации формируются на этапе загрузки сети. Статическая маршрутизация. • Адаптивные алгоритмы учитывают эти свойства сети

14. Принцип оптимальности маршрута • Принцип оптимальности маршрута. • Если маршрутизаторB располагается на оптимальном маршруте от A к С, то оптимальный маршрут от B к С совпадёт с частью оптимального маршрута от А к С. • Как следствие, можно рассмотреть множество оптимальных маршрутов в виде дерева, называемого входным деревом. • Входное дерево не обязательно уникально. • Цель всем алгоритмов выбора маршрутов – построение и использование входных деревьев для всех маршрутизаторов.

15. Sink tree (a) A subnet. (b) A sink tree for router B.

16. Концепция кратчайшего пути • Строим граф подсети: узлы – вершины, линии связи – дуги. • Вводим веса на дуги (можно брать одинаковые, можно учитывать длину линий и т.д.). • Можно учесть среднюю длину очереди, время задержки пересылки, и т.д. • При выборе маршрута между двумя маршрутизаторами находим кротчайший путь между ними в графе. • Существуют разные алгоритмы поиска кратчайшего пути.

17. Алгоритм Дейкстры

18. Метод заливки • Статический алгоритм • Пришедший пакет посылается на все исходящие линии, кроме той, по которой он пришёл • Порождает огромное количество дублированных пакетов. Вводят TTL для борьбы с бесконечной лавиной • Можно учитывать все маршрутизаторы, через который проходил пакет • Выборочная заливка (определение по косвенным признакам куда пересылать пакет)

19. Маршрутизация по вектору расстояний • Динамический алгоритм • Работает, опираясь на таблицу, содержащую наилучшие известные пути к каждому из возможных адресатов. • Происходит постоянный обмен этими таблицами с соседями. • Алгоритм маршрутизации по вектору расстояний – распределённый алгоритм Беллмана – Форда (Bellman-Ford) • Применялся в ARPANET – RIP (Routing Information Protocol)

20. Маршрутизация по вектору расстояний

21. Проблема счёта до бесконечности

22. Маршрутизация с учётом состояния линий • Маршрутизация на основе векторов расстояний в ARPANET использовалась до 1979 года • Линии начали иметь различную пропускную способность • Алгоритм долго приходил к устойчивому состоянию (счёт до бесконечности)

23. Маршрутизация с учётом состояния линий • Маршрутизатор должен: • Обнаруживать своих соседей и узнавать их сетевые адреса. • Измерять задержку или стоимость связи с каждым соседом. • Создавать пакет, со всей собранной информацией. • Посылать этот пакет всем маршрутизаторам. • Вычислять кратчайший пусть ко всем маршрутизаторам.

24. Маршрутизация с учётом состояния линий. Знакомство с соседями • Посылаем HELO по всем линиям. Маршрутизатор на том конце, должен послать ответ с информацией о себе (имена должны быть уникальны). • Nine routers and a LAN. • A graph model of (a).

25. Маршрутизация с учётом состояния линий. Измерение стоимости линии • Наиболее прямой способ – отправка ECHO всем. • Можно учесть загруженность линии (запускать таймер сразу при отправке на канальный уровень) • Можно не учитывать (запускать таймер при достижении очереди ECHO на отправка)

26. Маршрутизация с учётом состояния линий. Измерение стоимости линии

27. Маршрутизация с учётом состояния линий. Формирование пакетов состояния линий • Идентификатор отправителя • Порядковый номер • Возраст • Список соседей с задержками

28. Маршрутизация с учётом состояния линий. Распространение пакетов состояния линий • Основная идея – алгоритм заливки • Приходит пакет – смотрим адрес отправителя, если уже есть запись – сверяем порядковые номера • Возраст требуется для удаления записей об отключенных маршрутизаторах (например, уменьшается каждый 10 секунд) и предотвратить бесконечное блуждание пакетов (уменьшается при каждой итерации заливки) • Для защиты от ошибок – требуем подтверждения получения пакетов состояния линий

29. Маршрутизация с учётом состояния линий. Распространение пакетов состояния линий The packet buffer for router B

30. Маршрутизация с учётом состояния линий. Вычисление новых маршрутов • Собрав все пакеты состояния линий, маршрутиазтор может построить полный граф подсети. Каждая линия представлена дважды. • Далее можно локально применять алгоритм Дейкстры для поиска минимального пути • Такой подход используют протокол внутреннего шлюза OSPF (Open Shortest Path First), IS-IS (Intermediate System to Intermediate System)

31. Иерархическая маршрутизация • Размер таблиц маршрутов увеличивается пропорционально увеличению размеров сети • Вводят иерархическую маршрутизацию • Выделаются области – регионы. Каждый маршрутизатор знает всё только в пределах своего региона. • Можно ввести несколько уровней иерархии: кластеры, зоны, группы и т.д.

32. Иерархическая маршрутизация

33. Широковещательная маршрутизация • Рассылка пакетов по всем пунктам назначения • Рассылка всем • Заливка • Многоадресная маршрутизация (в пакете – все получатели, маршрутизатор генерирует новые пакеты с меньшими списками на линиях, где есть адресаты) • Связующее дерево • Продвижение по встречному пути

34. Широковещательная маршрутизация. Продвижение по встречному пути • Когда приходит широковещательный пакет, маршрутизатор проверяет, используется ли линия, по которой пришёл пакет для нормальной передачи пакетов источнику широковещания. • Если да, то пакет прибыл по наилучшему маршруту и является первой копией. Тогда рассылаем заливкой. • Иначе отвергаем.

35. Широковещательная маршрутизация. Продвижение по встречному пути Reverse path forwarding. (a) A subnet. (b) a Sink tree. (c) The tree built by reverse path forwarding.

36. Многоадресная рассылка • Рассылка сообщений группам адресатов • Необходимо управление группами • Маршрутизаторы должны знать кто какой группе принадлежит (или хосты оповещают маршрутизаторы, или маршрутизаторы сами опрашивают хосты) • Для рассылки маршрутизатор рассчитывает связующее дерево и отсекает ненужные линии к хостам, которых нет в группе, генерируя усечённое связующее дерево • При маршрутизации по векторам расстояний, применим алгоритм продвижения по встречному пути (когда нет хостов из группы – отсечка )

37. Многоадресная рассылка (a) A network. (b) A spanning tree for the leftmost router. (c) A multicast tree for group 1. (d) A multicast tree for group 2.

38. Алгоритмы маршрутизации для мобильных хостов • Есть стационарные и есть мигрирующие (мобильные) хосты • У всех хостов есть постоянное местоположение, которое не меняется • Внешний агент – следит за мобильными хостами, временно находящимися в его области • Внутренний агент – следит за мобильными хостами, покинувшими область местоположения

39. Алгоритмы маршрутизации для мобильных хостов

40. Алгоритмы маршрутизации для мобильных хостов • Внешний агенту узнаёт о наличии гостя – мобильного хоста • Мобильный хост регистрируется в данной области, сообщая внешнему агенту свой домашний адрес, текущий адрес уровня передачи данных, подпись подлинности • Внешний агент связывается с внутренним агентом домашней области хоста • Внутренний проверяет идентификатор безопасности и разрешает связь • Внешний заносит в свою таблицу этот хост

41. Алгоритмы маршрутизации для мобильных хостов

42. Маршрутизация в специализированных сетях • Мобильны как хосты, так и маршрутизаторы • Каждый узел состоит из маршрутизатора и хоста одновременно – специализированная сеть или мобильная специализированная сеть (MANET, Mobile Ad hoc network) • Протокол AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector)

43. Маршрутизация в специализированных сетях • (a) Range of A's broadcast. • (b) After B and D have received A's broadcast. • (c) After C, F, and G have received A's broadcast. • (d) After E, H, and I have received A's broadcast. Shaded nodes are new recipients. Arrows show possible reverse routes.

44. Маршрутизация в специализированных сетях • Смотрим Адрес источника и идентификатор запроса в локальной истории • Приемник ищет адрес назначения в таблице маршрутов. Если маршрут свежий (5 поле в табл. Больше или равно 5 полю в пакете), отправляем reply • Если меньше, то inc 6 поле, и посылаем запрос широковещательно. Format of a ROUTE REQUEST packet.

45. Поиск в равноранговых сетях. Метод хорды

46. Поиск в равноранговых сетях. Метод хорды • SHA-1 хэш от адреса – 160-ти битное число – идентификатор узла • Функция последователя: successor(k) – возвращает идентификатор первого реального узла, следующего после k • Названия ресурсов хэшируем, получая ключи (key = hash (name)) • Строится кортеж из полей name, адрес. Храниться будет на successor(hash(name)). • Два направления поиска • Таблицы указателей

47. Алгоритмы борьбы с перегрузкой

48. Алгоритмы борьбы с перегрузкой • Методы без обратной связи – предотвратить возникновение перегрузок • Методы с обратной связью – с учетом состояния системы: • Наблюдение за системой с целью определения где и когда произойдёт перегрузка • Передача информации о перегрузке в необходимые места, где можно повлиять на ситуацию • Принятие мер по стабилизации системы

49. Алгоритмы борьбы с перегрузкой • Влияющие на перегрузку политики: • Транспортный: • Политика повторной передачи • Политика кэширования пакетов с неверным порядком • Политика подтверждений • Политика управления потоком • Определение тайм-аутов

50. Алгоритмы борьбы с перегрузкой • Сетевой: • Виртуальные каналы или дейтаграммы • Политика очередей пакетов и обслуживания • Политика игнорирования пакетов • Алгоритм маршрутизации • Управление временим жизни пакетов