Β. Μάγκλαρης maglaris@netmode.ntua.gr netmode.ntua.gr 05 /12/2011

1. ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝΑλγόριθμοι Δρομολόγησης στο Internet – Distance Vector (Bellman Ford, BGP) & Link State (Dijkstra, OSPF) Β. Μάγκλαρης maglaris@netmode.ntua.gr www.netmode.ntua.gr 05/12/2011

2. ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ:ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΤΟΥ Ε.Μ.Π.ntua.gr (147.102.0.0/16, ASN 3323)

3. ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥLayer 3 Routing • Interior Gateway Protocols (IGP):Μια έξοδος προς επόμενο Interface για κάθε τελικό προορισμό (δίκτυο) • RIP: Bellman Ford • OSPF (Open Shortest Path First): Dijkstra, ιεραρχικό με stub areas) • IS-IS • Exterior (Border) Gateway Protocols (EGP/BGP): Πολλές εναλλακτικές διαδρομές με βάρη προς όλα τα γνωστά δίκτυα (περίπου 250.000 σήμερα) μεταξύ ακραίων (border) routers αυτονόμων συστημάτων (Autonomous Systems, AS, περίπου 40.000 σήμερα). • Η διαδρομή καταγράφεται στον BGP Table των ακραίων δρομολογητών (border gateways) ενός AS ανά δίκτυο προορισμού και την σειρά των AS’s της προτεινόμενης διαδρομής (μαζί με το βάρος της) • Οι πίνακες BGP φυλάσσονται στην ηλεκτρονική μνήμη των border gateways και ανανεώνονται δυναμικά όποτε υπάρχουν αλλαγές στο Internet με ευθύνη των γειτονικών δρομολογητών (border gateways) που ανακοινώνουν τα δίκτυα των αυτονόμων κοινοτήτων(AS’s) που γνωρίζουν (advertising)

4. ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ:Interior Gateway Protocols(IGP) • Άμεση δρομολόγηση (direct) • Κόμβος (PC, router) στέλνει πακέτα IP σε interface κόμβου του ίδιου υποδικτύου • Έμμεση δρομολόγηση (indirect) • Ο κόμβος στέλνει πακέτα IP σε κόμβο του ίδιου δικτύου, χρησιμοποιώντας δρομολογητές (routers) • Ο κόμβος πρέπει να γνωρίζει τη διεύθυνση του interface δρομολογητή (gateway) & την διεύθυνση L2 (MAC) μέσω ARP • Οι τελικοί κόμβοι στέλνουν πακέτα με διεύθυνση προορισμού εκτός του δικτύου τους σε default gateway (π.χ. 147.102.13.200) • Ο δρομολογητής πρέπει να γνωρίζει τη διαδρομή (επόμενο interface δρομολογητή) προς το δίκτυο – υποδίκτυο προορισμού

5. ΠΙΝΑΚΑΣ ΔΟΡΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΣΕ HOSTHost Routing Table • Εγγραφές του τύπου (N, R) • N: Δίκτυο προορισμού • R: Επόμενο interface δρομολογητή (gateway) • Host routing table σε λειτουργικό Windows από το μηχάνημα με IP 147.102.13.32 > netstat -nr Routing Table: Network Destination Netmask Gateway Interface Metric 0.0.0.0 0.0.0.0 147.102.13.200 147.102.13.32 20 127.0.0.0 255.0.0.0 127.0.0.1 127.0.0.1 1 147.102.13.0 255.255.255.0 147.102.13.32 147.102.13.32 20 147.102.13.32 255.255.255.255 127.0.0.1 127.0.0.1 20 147.102.255.255 255.255.255.255 147.102.13.32 147.102.13.32 20 224.0.0.0 240.0.0.0 147.102.13.32 147.102.13.32 20 • Προς το ίδιο τοπικό υποδίκτυο 147.102.13.0/24 σαν gateway ορίζεται κατευθείαν (direct) το τοπικό interface 147.102.13.32 • Προς destination dolly.netmode.ntua.gr (147.102.13.10) gateway θα είναι το τοπικό interface147.102.13.32 • Προς όλα τα άλλα δίκτυα 0.0.0.0 σαν gateway ορίζεταιτο 147.102.13.200 (default gateway: router.netmode.ntua.gr) • Προς local host127.0.0.0/8(π.χ. για δοκιμή δικτυακών εφαρμογών τοπικά) ή προς το ίδιο το 147.102.13.32/32 «προωθούνται» στο «interface»127.0.0.1 • Προς διεύθυνση broadcast 147.102.255.255/32 σαν gateway ορίζεται κατευθείαν (direct) το τοπικό interface 147.102.13.32(η διεύθυνση δεν ισχύει στο δίκτυο του ΕΜΠ) • Προς διευθύνσεις multicast 224.0.0.0/4 σαν gateway ορίζεται κατευθείαν (direct) το τοπικό interface147.102.13.32

6. ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΤΩΝ (Links between Routers) • Για ομοιομορφία της δρομολόγησης, κάθε γραμμή ορίζεται (συνήθως) σαν δίκτυο με 4 τουλάχιστον διευθύνσεις (/30) • Παράδειγμα: Μεταξύ ΕΜΠ 147.102.0.0/16 & Παν. Αθηνών 195.134.64.0/18 ορίζεται το «δίκτυο» 147.102.224.32/30 • Υποδίκτυο: 147.102.224.32/30 • Άκρο ΕΜΠ: 147.102.224.33/30 • Άκρο Παν. Αθηνών: 147.102.224.34/30 • Broadcast: 147.102.224.35/30

7. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΕΥΡΕΣΗΣ ΔΡΟΜΩΝ ΣΤΟ INTERNET • DV: Distance Vector (αλγόριθμος Bellman-Ford) • IGP: RIP (Routing Information Protocol) • EGP: BGP (Border Gateway Protocol) • LS: Link State (αλγόριθμος Dijkstra) • IGP: OSPF (Open Shortest Path First): Link State Data Base + αλγόριθμος Dijkstra στον κορμό Αυτόνομου Δικτύου (Core of an Autonomous System, AS) • Κόστος γραμμών δικτύου: Ανάλογα με την ταχύτητα ή οριζόμενα από τον Διαχειριστή • Ανανέωση κόστους γραμμών: κάθε 240 sec (default) ή λόγω μεταβολής κατάστασης • Στα περιφερειακά υποδίκτυα(stub areas): Default G/W

8. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ DISTANCE VECTORIGP RIP - BGP • Κάθε κόμβος υπολογίζει την επόμενη «βέλτιστη» στάση προς όλες τις κατευθύνσεις, σύμφωνα με την εικόνα που έχει τοπικά (πραγματικά κατανεμημένος αλγόριθμος) • Χρειάζεται γνώση του «κόστους» των άμεσων συνδέσεων (interfaces) και το εκτιμώμενο «κόστος» από τους άμεσους γείτονες προς όλους τους προορισμούς (π.χ. όλα τα δίκτυα στο Internet που ανακοινώνουν - announce – σε έναν ακραίο δρομολογητή μιας αυτόνομης κοινότητας - AS - οι γειτονικές του αυτόνομες κοινότητες στο πρωτόκολλο BGP) • Βασίζεται στον δυναμικό προγραμματισμό (με πιθανές επεκτάσεις για την ανακάλυψη εναλλακτικών δρόμων στο BGP) • Οι κόμβοι εντοπίζουν τους βέλτιστους δρόμους (shortest paths) προς όλους τους κόμβους εκτελώντας αλγόριθμο βασισμένο στον δυναμικό προγραμματισμό (dynamic programming) που εισήγαγε ο Bellman • Αρχικά παρουσίασε αστάθειες (π.χ. δρόμους με κύκλους - loops) αλλά σήμερα το πρωτόκολλο EGP BGP είναι η καρδιά του Internet • Το πρωτόκολλο IGP RIP σήμερα έχει αντικατασταθεί από το OPSF

9. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ LINK STATEIGP OSPF • Κάθε δρομολογητής μιας περιοχής OSPF (core area) έχει πλήρη εικόνα της περιοχής του – τοπολογία, κόστη συνδέσεων • Όλοι οι δρομολογητές εκτελούν τον αλγόριθμο Dijkstra για εντοπισμό όλων των δρόμων ελαχίστου κόστους (shortest paths) σε ρόλο κεντρικού συστήματος ελέγχου, περιοδικά (default 240 sec) ή όποτε αντιληφθούν ότι άλλαξε η κατάσταση του δικτύου – θεωρητικά όλοι έχουν την ίδια εικόνα • Θεωρείται ευσταθής αλγόριθμος, επαρκής για IGP: Μια αυτόνομη κοινότητα ιεραρχείται εσωτερικά σε περιοχές OSPF (μία ή περισσότερες) + περιφερειακές stub areas με static routing (στο δίκτυο του ΕΜΠ, OSPF τρέχουν μόνο 2 δρομολογητές) • Γενίκευση του OSPF: Αλγόριθμος IS-IS (Intermediate System to Intermediate System)

10. ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝBellman Ford & Dijkstra • Δίκτυο (γράφος) αναφοράς • Τα κόστη των γραμμών αφορούν και στις 2 κατευθύνσεις • Στα παραδείγματα που ακολουθούν υπολογίζονται δένδρα ελαχίστων δρόμων (shortest path trees) από όλους προς την ρίζα {6} (Bellman Ford) και από την ρίζα {1} προς όλους (Dijkstra)‏ • ΠΡΟΣΟΧΗ: Η επιλογή του ρόλου της ρίζας του δένδρου (πηγή ή προορισμός) έγινε αυθαίρετα. Δεν εξαρτάται από τους αλγόριθμους που ισχύουν κατ’ αναλογία για αντίστροφους ρόλους ρίζας

11. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ Bellman-FordDistance Vector (1/2) Υπολογισμός Δένδρου Ελαχίστων Δρόμων (Shortest Path Tree) προς τον κόμβο {6} από τους κόμβους {1, 2, 3, 4, 5} Di (h) : Κόστος από κόμβο (j) προς προορισμό (destination) 6 στο βήμα h dij (h) : Κόστος (βάρος) γραμμής (i,j) στο βήμα h L(j) = Di (h) Εκτίμηση ελαχίστου κόστους (label) από τον {j} προς τον {6} στο βήμα h P(j) : Επόμενος κόμβος από τον {j} προς τον {6} στο βήμα h D6(0) = 0, Dj(0) = ∞, j = 1,2,3,4,5

12. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ Bellman-FordDistance Vector (2/2) 10 3

13. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ DijkstraLink State 1/2 Υπολογισμός Δένδρου Ελαχίστων Δρόμων (Shortest Path Tree) από τον κόμβο {1} από τους κόμβους {2, 3, 4, 5, 6} P: Σύνολο από permanent labels Dj : Κόστος από πηγή (source) {1} προς κόμβο {j} dij : Κόστος (βάρος) γραμμής (i,j) L(j) = Di (h) Εκτίμηση ελαχίστου κόστους (label) από τον {1} προς τον {j} στο βήμα h P(j) : Προηγούμενος κόμβος από τον {1} προς τον {j} στο βήμα h

14. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ DijkstraLink State 2/2

15. Internet inter-AS routing: BGP • BGP (Border Gateway Protocol):the de facto standard • BGP δίνει σε κάθεAS τον τρόπο για να: • Μαθαίνει πληροφορίες πρόσβασης (subnet reachabilityinformation) από γειτονικά AS/δρομολογητές. • Προώθησηreachability information σε όλους τους εσωτερικούςAS-internal δρομολογητές. • Καθορισμός “καλών” routes προς υποδίκτυαμε βάσηreachability information καιpolicy. • Επιτρέπει σε subnet να ανακοινώσουν την ύπαρξη τουςστο υπόλοιποInternet: “Είμαι εδώ”

16. Ανακοίνωση Δικτύου 135.207.0.0/16 μέσω BGP Distance Vector(από παρουσίαση του Timothy G. Griffin,AT&T Research, Paris 2002)

17. 2c 2b 3c 1b 1d 1c Το πλαίσιο BGP • Ζεύγη από Border routers (BGP peers) ανταλλάσουν πληροφορίες δρομολόγησης (routing info)πάνω από ημι-σταθερές συνδέσεις TCP: BGP sessions • BGP sessions δεν χρειάζεται να αντιστοιχίζονται σε φυσικές συνδέσειςlinks. • Όταν το AS2 ανακοινώνει ένα πρόθεμα (prefix)προςAS1: • Το AS2 υπόσχεταιότι θα προωθεί πακέτα με διεύθυνση προορισμού το δεδομένοprefix. • Το AS2 μπορεί να συναθροίσει (aggregate)prefixes στις ανακοινώσεις του eBGP session iBGP session 3a 3b 2a AS3 AS2 1a AS1

18. Πίνακες Δρομολόγησης BGP • Ο (μερικός) πίνακας BGP στο Ε.Μ.Π. (147.102.0.0/16, AS 3323) περιλαμβάνει 869 Δίκτυα του Ελληνικού Internet (λόγω GRiX) • Έως τρείς επιλογές ανά prefix: • Κύρια σύνδεση Ε.Μ.Π. Ζωγράφου με ΕΔΕΤ  194.177.209.117 • 1η Εναλλακτική μέσω Ε.Μ.Π. Πατησίων  195.251.24.69 • 2η Εναλλακτική μέσω Πανεπιστημίου Αθηνών - Καισαριανή  147.102.224.34 • Τα λοιπά δίκτυα (300.000 +) default free (μέσωΕΔΕT, GEANT

19. Ο Πίνακας Δρομολόγησης του Ε.Μ.Π. - Summary #shipbgpsum BGP router identifier 147.102.224.241, local AS number 3323 BGP table version is 282065, main routing table version 282065 869 network entries using 101673 bytes of memory 5171 path entries using 268892 bytes of memory 87155/152 BGP path/bestpath attribute entries using 13944800 bytes of memory 25770 BGP AS-PATH entries using 1115438 bytes of memory 4254 BGP community entries using 530996 bytes of memory 8 BGP extended community entries using 224 bytes of memory 0 BGP route-map cache entries using 0 bytes of memory 0 BGP filter-list cache entries using 0 bytes of memory BGP using 15962023 total bytes of memory 2579 received paths for inbound soft reconfiguration BGP activity 205802/188024 prefixes, 2036057/1948774 paths, scan interval 60 secs

20. Τμήμα του Πίνακα Δρομολόγησης του Ε.Μ.Π. shipbgp BGP table version is 282065, local router ID is 147.102.224.241 Status codes: s suppressed, d damped, h history, * valid, > best, i - internal, r RIB-failure, S Stale Origin codes: i - IGP, e - EGP, ? - incomplete Network Next Hop Metric LocPrf Weight Path * 2.84.0.0/16 147.102.224.34 115 0 8643 5408 6799 i * 195.251.24.69 116 0 5408 6799 i *> 194.177.209.117 120 0 5408 6799 i * 2.84.0.0/14 147.102.224.34 115 0 8643 5408 6799 i * 195.251.24.69 116 0 5408 6799 i *> 194.177.209.117 120 0 5408 6799 i * 2.85.0.0/16 147.102.224.34 115 0 8643 5408 6799 i * 195.251.24.69 116 0 5408 6799 i *> 194.177.209.117 120 0 5408 6799 i * 2.86.0.0/16 147.102.224.34 115 0 8643 5408 6799 i * 195.251.24.69 116 0 5408 6799 i *> 194.177.209.117 120 0 5408 6799 i

21. 2c 2b 3c 1b 1d 1c Διανομή reachabilityinfo • Με χρήση eBGPσύνδεσης μεταξύ 3a και1c, AS3 στέλνειprefix reachability info στοAS1. • 1c μπορεί να χρησιμοποιήσει iBGPγια διανομή νέωνprefix info σε όλους τους δρομολογητές του AS1 • 1b μπορεί να ξανα-ανακοινώσει νέοreachability info στοAS2 πάνω από1b-to-2a σύνδεση eBGP • Ένας δρομολογητής όταν μαθαίνει νέοprefix, δημιουργεί routing entry στο πίνακα προώθησης. eBGP session iBGP session 3a 3b 2a AS3 AS2 1a AS1

22. Path attributes καιBGP routes • Ανακοινώσιμοprefix περιλαμβάνειBGP attributes. • prefix + attributes = “route” • Δύο σημαντικάattributes: • AS-PATH:διαδρομή ASs μέσα από την οποία έχει περάσει η ανακοίνωση του prefix advertisement: π.χ., AS 67, AS 17 • NEXT-HOP:δείχνει την διεύθυνση IP (εσωτερική-στο_AS για το επόμενο hop στο γειτονικό AS (BGP-NEXT-HOP) • Η λήψη ανακοινώσεων δρομολόγησης (route advertisement) φιλτράρεται απόimport policyγια αποδοχή/ απόρριψη ανακοινώσεων.

23. BGP – επιλογή routes • Είναι δυνατή η λήψη του ιδίου routeprefix από πολλούς γειτονικούς border routers. Ο δρομολογητής πρέπει να επιλέξει τον border router και το πώς θα τον προσεγγίσει. • Κανόνεςεπιλογής: • local preference value attribute: policy decision • ΜικρότεροAS-PATH • πλησιέστεροςNEXT-HOP router: hot potato routing • επιπλέονcriteria

24. BGP Control Messages • BGP control messages διακινούνται με πρωτόκολλο TCP για flow control • BGP control messages: • OPEN:ανοίγειTCP σύνδεση στο γείτονα(peer) και προαιρετικά ταυτοποιεί το απέναντι άκρο • UPDATE:ανακοινώνει νέαpath ή αποσύρει (withdraws)παλαιότερα • KEEPALIVEκρατάει την σύνδεση ανοιχτή σε περίπτωση που δεν υπάρχουν UPDATES ή ACK σε αίτηση OPEN • NOTIFICATION:ανακοίνωση σφαλμάτων σε προηγούμενα μηνύματα ή για να κλείσει η σύνδεση

25. B X Ορολογία: W A C Y BGP routing policy – πολιτική πελάτη Δίκτυο Παρόχου Δίκτυο Πελάτη • A,B,C είναι Δίκτυα Παρόχων (ISPs) • X,W,Y είναι πελάτες (των ΙSPs) • W,Y είναι single homed • X είναιdual-homed:συνδεδεμένο σε δύο δίκτυα • X δεν επιθυμείτην δρομολόγηση από το Β μέσω X προς το C • .. έτσιX δεν θα ανακοινώσειστονB a route προς τοC

26. Ορολογία: B Δίκτυο Παρόχου X W A Δίκτυο Πελάτη C Y BGP routing policy – πολιτική παρόχου • A ανακοινώνειpath AW στονB • B ανακοινώνειpath BAW στονX • Πρέπει ο B να ανακοινώσειpath BAW στονC? • Αδιανόητο! B δεν έχει “έσοδα” για δρομολόγηση CBAW εφόσον ούτε W ούτε ο C είναι πελάτες του B • B επιθυμεί να πιέσει τονC για δρομολόγηση προς w μέσωA • B επιθυμεί να δρομολογήσει μόνοαπό/πρόςτους πελάτες ΤΟΥ!

27. Το «ΕΜΠΟΡΙΚΟ» InternetThere is no Free Lunch Οι 9 Tier 1 ISP’s με πρόσβαση στα 300,000 δίκτυα - γνωστούς προορισμούς του Internet : • AOL Transit Data Network • AT&T • Global Crossing • Level 3 • Verizon Business • NTT Com. • Qwest • SAVVIS • SprintLink