TÁVKÖZLÉSI ÉS MÉDIAINFORMATIKAI TANSZÉK BUDAPESTI …w3.tmit.bme.hu/courses/vitt9181-03/materials-ly/vitt9181-11-ROU... · » A forgalomirányító algoritmusokkal szemben támasztott

1 | Minőségbiztosítás IP hálózatokon, QoS a hálózati rétegben, Forgalomirányítás és útválasztás (11.) | 2005. október 21. péntek

SZOLGÁLTATÁS-MINŐSÉG BIZTOSÍTÓ INFORMÁCIÓS TECHNOLÓGIÁK LABORATÓRIUMATÁVKÖZLÉSI ÉS MÉDIAINFORMATIKAI TANSZÉK, BME

TÁVKÖZLÉSI ÉS MÉDIAINFORMATIKAI TANSZÉKBUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM

12005. október 21. péntek


11. – Minőségbiztosítás a hálózati rétegben I. Forgalomirányítás és útválasztás

Lukovszki Csaba, [email protected]

Minőségbiztosítás IP hálózatokon (vitt9181)

mailto:[email protected]





Összefoglalás

» Minőségbiztosítás a hálózati rétegben» A forgalomirányító algoritmusokról, általában» Útválasztás és útválasztási protokollok





Minőségbiztosítás a hálózati rétegben

» Feladat: a csomagok eljuttatása a forrástól a célig» A hálózati a legalacsonyabb réteg, amely a két végpont közti

átvitellel foglalkozik» Megoldandó feladatok:

» Hálózati topológia ismerete, útvonalválasztás» Túlterhelések elkerülése» Különböző hálózatok összekpacsolása

» Elemei» Forgalomirányítás» Útvonalválasztás» Forgalomszabályzás, torlódásvédelem» Terhelésmegosztás

A hálózati réteg az egyetlen, amely a végpontok között alakít ki kapcsolatot. (e2e - end to endkapcsolatot).A feladata abban merül ki, hogy csomagokat juttasson el a forrástól a célig.

2 megoldás a túlterhelés megakadályozására:(amennyiben két útvonal találkozásánál alakulnak ki)-Preventíven, terhelésmegosztással-utólagos kezelés: pl.: ahogy a TCP-nél





Minőségbiztosítás a hálózati rétegbenA hálózati réteg belső szervezése» Összeköttetés alapú – virtuális áramkörök

» A csomagnak/cellának nem kell útvonalat választania» Összeköttetés nélküli – datagramok

» Nincsenek előre meghatározott útvonalak, még akkor sem, ha a hálózati réteg által nyújtott szolgálat összeköttetés alapú. Minden csomag más-más útvonalat követhet.

Az IP alapvetően a datagramm jellegű szolgáltatást támogatja, de felépíthető rajta virtuálisáramkör is.Virtuális áramkörök: csomagonként kell döntéseket hoznia.

A virtuális áramköröket olyan hálózatokban használják, amelyek elsődleges szolgálata összeköttetés alapú. Alapötlet: el kell kerülni azt, hogy minden csomagnak vagy cellának útvonalat kelljen választania. Ehelyett az összeköttetés felépültekor létrejön egy útvonal a forrástól a vélgépig, amely rögzített. Ezt azútvonalat használja minden, ezen az összeköttetésen áthaladó folyam. A kapcsolatlebontásakor az összeköttetés is megszakad.A datagram alapú hálózatokban nincsenek előre meghatározott útvonalak, még akkor sem, ha a szolgálat összeköttetés alapú. Az egymást követő csomagok más-más útvonalon haladhatnak. Ez robusztussá és dinamikusabbá teszi a hálózatot, de több munkát kell az alhálózatoknak végezniük.





Minőségbiztosítás a hálózati rétegbenVirtuális áramkör és a datagram alapú hálózatok összehasonlítása

BonyolultKönnyű – virtuális áramkörök puffereltekTorlódásvédelem

Minden csomag függetlenülMinden csomag azonos útvonalonForgalomirányítás

NincsVirtuális áramköri táblázatÁllapotinformáció

Minden csomagban a teljes forrás- és célcím

Minden csomag áramköri azonosítót tartalmazCímzés

Nem szükségesKötelezőÁramkör felépítése

Datagram alapú hálózatVirtuális áramkör alapú hálózat

Ma a virtuális áramkör alapú összeköttetéseket preferáljuk, mert ez közelíti meg a ma használt áramkör alapú hálózatok minőségét .> ehhez vagyunk hozzászokva.

Forgalomleírókkal, sorbanállási modellekkel meghatározhatjuk előre, hogy milyenek lesznek a kapcsolat minőségi paraméterei.





Forgalomirányító algoritmusok

» Definíció» A forgalomirányító algoritmusokkal szemben támasztott

követelmények:» Helyesség» Egyszerűség» Robusztusság» Stabilitás» Igazságosság» Optimalitás

» Csoportosítás:» Nem adaptív algoritmusok» Adaptív algoritmusok

A forgalomirányító algoritmus a hálózati réteg szoftverének azon része, amely azért a döntésért felelős, hogy egy bejövő csomag melyik kimeneti útvonalon kerüljön továbbításra. (csomagonkénti döntés)

-Egyszerűség: ha egyszerű -> könnyű implementálni, alkalmazható, menedzselhető lesz.-Robosztusság: legyen hibatűrő, a hibát helyre tudja állítani!-Stabilitás: a hálózati információ gyorsan legyen konzisztens, ne okozzon maga is önmagában túéterhelést!-Optimalitás: találja meg a legjobb utat!

A nem adaptív algoritmusok a döntés során nem használják fel az aktuális forgalomra, vagy topológiára vonatkozó információkat, hanem bármely két csomópont között offline módon, előre kiszámítják az útvonalat, és azt letöltik a routerekbe. Az adaptív algoritmusok követik a hálózatban (forgalom, topológoia) változásokat. Ezek csoportosíthatók például annak alapján, hogy honnan kapják az információkat (szomszédos router, minden router), milyen időközönként frissülnek, vagy milyen mértéket használnak az optimalizáláshoz (távolság, átugrások száma, becsült áthaladási idő).





Forgalomirányító algoritmusokLegrövidebb út alapú forgalomirányítás» Nem adaptív algoritmus» Út hossza?» Dijkstra algoritmusa

A

G H

FE D

CB

6

4

2

2 2

3

1

2

7

2 3

B (2,A)

E(∞,-)

G(6,A)

C(∞,-)

F(∞,-) D(∞,-)

H(∞,-)

E(4,B)

G(5,E)

C(9,B)

F(6,E)

H(9,G)H(8,F)

Ez a legegyszerűbb algoritmus

Fontos kérdés, hogy mi a metrikatriviális megoldás, hogy ez a mérték az út hossza legyen!ha ez a megmaradt sávszélesség, akkor torlódást is próbál elkerülni

Lépésenként terjeszthetik az információt a hálózatban.Ha ez egyszer épül fel, akkor statikus, nem adaptívHa változik ez az információ, akkor adaptív





Forgalomirányító algoritmusokElárasztás» Nem adaptív» Minden bejövő csomagot minden kimenő vonalon kiküldünk» Korlátozási módszerek:

» Ugrásszámláló használata» Elküldött csomagok nyilvántartása» Szelektív elárasztás: csak a cél felé vezető útra küldjük ki a

csomagokat» Felhasználás:

» Katonai alkalmazások» Elosztott adatbázis-alkalmazásokban» Viszonyítási alap a többi forgalomirányító algoritmushoz

Gond, hogy a csomagot egy cél többször is megkaphat.Egy gyorsan kialakulhatnak körök -> ugrás számláló használatával ez a probléma kiküszöbölhető.Nem alkalmazzák széles körben, leginkább csak fizikailag szeparált hálózatokban, főleg a fent említett esetekben.

Információ veszés kritikus pontja az algoritmusnak, csak olyan helyen érdemes használni, ahol olcsó, és nagy mennyiségben áll rendelkezésre a sávszélesség

Ugrásszámláló: kezdeti értéke a forrástól a célig tartó út hossza, vagy az alhálózat teljes átmérője. Ezt minden ugrásnál csökkentjük eggyel, és amikor elérte a nullát, a csomagot eldobjuk.Felhasználás:

Katonai: az elárasztás robusztussága szükségesElosztott adatbázis-alkalmazások: az összes adatbázis egyszerre történő frissítésekorMértékként: az elárasztás mindig a legrövidebb utat választja, mert minden lehetséges utat egyszerre választ. Ezért nincs olyan algoritmus, amely az elárasztásból származó többletidő elhanyagolása után rövidebb késleltetést tudna produkálni.





Forgalomirányító algoritmusokFolyam alapú forgalomirányítás» Statikus algoritmus, amely a topológiát és a terhelést is felhasználja» Viszonylag állandó forgalom esetén lehetséges a folyamok

matematikai elemzése a forgalomirányítás optimalizálása céljából.» Ötlet:

» Ha ismert a vonal kapacitása és átlagos adatfolyama, az átlagoscsomagkésleltetés kiszámolható.

» Ebből az egész alhálózat átlagos csomagkésleltetése meghatározható, ígya forgalomirányítási feladat a minimális késleltetést biztosító útmegtalálása.

» Előre ismert információk:» Alhálózati topológia» Forgalommátrix» Vonalkapacitás-mátrix» Forgalomirányító algoritmus

Már a terhelést is figyeli.-Lehet forgalom leírók alapján-Tényleges mérések alapján-Sok információ kell hozzá -> nehéz felderíteni, nehezen kezelhetők

Forgalommátrix: források és célok közötti sávszélességeket tartalmazzaVonalkapacitás-mátrix: az adott útvonalon lévő linkek kapacitását tárolja





Forgalomirányító algoritmusokTávolságvektor alapú forgalomirányítás» Dinamikus algoritmus» Minden router karbantart egy táblázatot, amelyben a célhoz

vezető legrövidebb távolság és a célhoz vezető vonal azonosítója szerepel

Mindig a next-hop az érdekes, és hogy milyen messze van a cél





Forgalomirányító algoritmusokTávolságvektor alapú forgalomirányítás II.» Klasszikus Bellman-Ford algoritmus

» dij := i-j él költsége, (végtelen, ha nincs él)» Feltétel: út költség adódik az él költségekből, additív módon» Dij := minimum költség i és j között» Bellman egyenlet:

» Dij=0, minden i-re» Dij=mink{dik+dkj}

» Elosztott Bellman-Ford algoritmus» Di

kj(t) := k-ból j-be a minimális távolság, amit az i csomópont lát tidőben

» Bellman egyenlet:» Dij=0, minden i-re» Dij(t)=mink{dik+ Dk

kj(t)}k2

kn

k1

ji

dij

Ez a módszer is lépésenként keresi meg a minimális távolságot i és j között





Forgalomirányító algoritmusokKapcsolatállapot alapú forgalomirányítás» Minden router felkutatja szomszédait, és megtudja hálózati címüket.» Minden router megméri minden szomszédjához vezető út késleltetését

vagy költségét.» Minden router összeállít egy olyan csomagot, amely a fentebb

megszerzett adatokat tartalmazza.» Minden router elküldi ezt a csomagot az összes többi routernek.» Minden router kiszámítja az összes routerhez vezető legrövidebb utat.

Mivel minden router elküldi az ismereteit minden más routernek, így gyorsan felépítik a teljes topológiát





Útvonalválasztás, útválasztásFogalma» Kapcsolás (switching)

» Adatkapcsolati rétegben» Pont-pont, pont-multipont kommunikáció forgalom irányítása

» Lokális információk alapján» Lokális környezetben

» Útválasztás» Hálózati rétegben» Csomagok irányítása

» Globális információk alapján» Globális környezetben

» Független lokális, adatkapcsolati tartományokat közötti útvonal meghatározására

1 fontos különbség az útvonal választók és az útválasztók között: az előbbiek lokális tartományban tevékenykednek, míg az utóbbiak globális tartományban.





Kapcsolás és útválasztás

útválasztó

kapcsoló

L2 tartomány

EthPhy

EthernetPhy Phy

IPEth EthPhy Phy

EthernetPhy Phy

IPEthPhy

IPL2

L3

A

C

B

E

D

Csomagtovábbítás (forwarding)Csomagtovábbító (forwarding engine)Csomagtovábbítási adatbázis (forwardinformation database, FIB)

Layer 2-es kapcsolók hozzák a lokális döntéseket (Ethernet kapcsolók)Layer 3-as router globálisan irányít

Az IP szempontjából lényegtelen, hogy mi történik az alsóbb rétegekbenAz útvonalválasztás csak azt mondja meg, hogy hogyan épülnek fel a FIB-ek (csomagtovábbítási adatbázisok)





Csomagtovábbítási adatbázis (FIB)

» Statikus adatbázis» Nagyobb hálózatban a csomagtovábbítási táblák kialakítása

bonyolult és sok hibalehetőséget rejt magában» Módosításuk a hálózati operátor beavatkozását igényli» Nem robusztus, nem reagál a hálózati hibák fellépésére

» Dinamikus adatbázis» Csomagtovábbítási táblák automatikus továbbbítása» A hálózat topológiájának megváltozásakor az erre vonatkozó

információkat megváltoztatni, és elterjeszteni a hálózatban» Útválasztás

» Csomagtovábbítás dinamikus adatbázison alapuló információkkal» Dinamikus adatbázis menedzsment

» Útvonalválasztási protokoll» Az útvonalválasztást lehetővé tévő protokollok

A statikus adatbázis nem útvonal választásDinamikus esetben a routerek építik ki egymás között (ezt az útvonal választási protokollok teszik lehetővé)





Útvonalválasztó felépítése

» Útvonalválasztó» Útvonalprocesszor (routing processor, RP)» Útvonalválasztási tábla (routing information base, RIB)

FE

FIBcsomagtovábbítás

RP

RIB

RP

RIB

FE

FIB

RP

RIB

RP

RIB

útvonalválasztásiprotokoll

útvonalválasztásiprotokoll

A két belső routing provesszor ezért van a egy egységben szerepeltetve, mert egy, a fentiekkel leírt router egyszerre lehet ERP illetve IRP is, azaz irányíthat tartományon belül, illetve kívül is.





Útvonalválasztási protokollok tulajdonságai

» Erőforrás-igény» Processzoridő és jelzések által foglalt sávszélesség

» Stabilitás, konvergencia ideje» Hálózatban bekövetkező változásokra való reagálás ideje

(amennyiben kialakul konzisztens állapot)» Biztonság

» Támadások ellen való védekező képesség» Címzés

» Milyen címzési technikát használ (osztályfüggő címzés, ClasslessInter Domain Routing (CIDR), Variable Length Subnet Masking(VLSM)

» Hálózati hierarchia» Lapos: csak egy szint van definiálva» Hierarchikus: hálózati tartományok között és azon belül» Autonóm tartományok: egy adminisztratív egységhez tartozás





Útvonalválasztási protokollok csoportosítása

» Belső átjáró protokoll (Interior Gateway Protocol, IGP)» Távolságvektor alapú (distance vector) protokollok (RIP)

» Az egyes útválasztókhoz vezető utakat és azok távolságát ismerik» Egyszerű» Útvonalválasztási hurkok jöhetnek létre (kiküszöbölés: TTL)

» Összeköttetés-állapot (link state) protokollok (OSPF)» Topológia információkat terjesztenek» Minden eszköz a teljes hálózati struktúrát ismeri» Összetett, megbízható, gyors konvergencia

» Külső átjáró protokoll (Exterior Gateway Protocol, EGP)» Tartományok közötti útvonalválasztási protokollok

IGP: autonóm rendszeren belül állapít meg útvonalakatRIP (Routing Information Prokol): csak elérhetőségi információkat terjesztOSPF (Open Shortest Path First): nagyon sokféle metrikát alkalmaz





Routing Information Protocol, RIP

» Távolságvektor alapú forgalomirányítás és útvonalválasztás » Távolság nyilvántartás

» Hoszt, vagy alhálózat IP címe» Az adott irányba vezető út elsp pontja (Next Hop)» Az alhálózat távolsága 1..15 (16 végtelen)

» Példa» Csomagtovábbítás

» Azon az interfészen, ahol a legközelebb elérhető az adott hálózat

Az, hogy az alhálózat távolsága 1..15 lehet, az azt is jelenti, hogy maximum 15 nagyságú útvonalakat tud kezelni





RIPA távolságadatok terjesztése

Router CRouter B

Router A

172.16.0.0

1. AèC 172.16.0.0 cost: 12. AèB 172.16.0.0 cost: 1

172.16.0.0, A, cost: 2172.16.0.0, A, cost: 23. BèC 172.16.0.0 cost: 2

4. CèB 172.16.0.0 cost: 2

5. BèA 172.16.0.0 cost: 2 6. CèA 172.16.0.0 cost: 2

6 üzenetből csupán 2 hasznos. De legalább egyszerű a protokol.





RIPAdatok frissítése

» Frissítési periódus» Általban 30 másodperc

» Órák asszinkronitása» Szándékos késleltetés

» A forgalmi terhelés elkerüléséhez» Definiált időzítések

» Flush Time (FT)» Amennyiben az időzítő lejár, és nem kapunk megerősítést az adott

hálózat, vagy gép elérhetőségéről, a költséget végtelenre állítjuk» 4 periudusidő (120 mp)

» Invalid Time (IT)» Az FT után 2 periódusidővel törtlődik a bejegyzés» 6 periódusidő

A frissítési periódus 30 secundum, ennél gyakrabban nem frissít.





Forgalomirányító algoritmusok - Távolságvektor alapú forgalomirányításA végtelenig számolás» A ból X költsége 2-ről végtelenre változik» Mielőtt ezt B-nek terjesztené, B küld egy 3-os költségű frissítést

(ami valójában A-n keresztül vezet)» A 4-re módosítja X-hez vezető költségét és terjeszti is B felé» B 5-ra módosítja X költségét, és elszámolnak 16-ig

A B

C

D

X E

Költség: 3 Költség: 1Költség: 3

Szerencsétlen időzítések esetén előfordulhat.Nem hibás működést jelent, csak lassan konvergál a stabil állapothoz.





Forgalomirányító algoritmusok - Távolságvektor alapú forgalomirányításA végtelenig számolás ellenszerei» Split Horizon

» B nem terjeszti arra vissza a költséget, ahonnan hallotta» Poisoned Reverse

» Minden azonos linken levő routernek végtelen utat terjeszt, de a körben attól még lehet hurok (példa)

» Triggered Update» amint változik a routing tábla, továbbadom. Ez sem tökéletes

megoldás, mert a triggered update alatt beüthet pechesen egy rendes update.

» Alapvető probléma» ha egy költség nő, én anélkül fogadok el egy kisebb költségű utat,

hogy meggyőződnék afelől, hogy a szomszéd azt nem tőlem hallotta.

A B

C

D

X EKöltség: 3 Költség: 1

Költség: 1

Poisoned Reverse: azért kell, mert ha nem küld vissza semmit, akkor A nem tudja, hogy B a szomszédja -> Topológia felderítésTriggered Update: Csak a megváltozott információt küldi: kis adat -> akár másodpercenként is lehet küldeni.





Open Shortest-Path First, OSPF

» Összeköttetés-állapot (link state) protokoll» Motiváló tényezők

» Hozzáférhetőség (IETF)» A RIP nagy adatmennyiséget forgalmaz (teljes útválasztó táblák)

» Adattovábbítási és processzor idő korlát» A RIP-nél lassan alakul ki a stabilitási állapot

» Legfeljebb 100ms alatt tudjon alkalmazkodni» Támogasson többféle link metrikát» Hierarchikus hálózatok támogatása» Támogassa a szolgáltatás alapú útválasztást (ToS)» Terheléskiegyenlítés lehetősége» Biztonság

» Alagút technológia támogatása

Támogasson többféle link metrikát: ne csak a hop számot!Hierarchikus hálózatok támogatása: lehessen tartományokra osztani a kérdéses hálózatot!Biztonság: ne lehessen külső üzenetekkel elrontani!





Border Gateway Protocol, BGP

» Külső átjáró protokoll» Jellemzői

» Egynél több útvonal közül képes kiválasztani a legjobbat» Támogatja a CIDR címaggregációt» Független az autonóm rendszereken belüli útválasztási

protokolloktól» A BGP útvonalválasztók TCP kapcsolaton kommunikálnak

egymással

Míg a BGP útvonalválasztók TCP kapcsolaton kommunikálnak egymással, addig mások UDP technológiát használnak!

Documents

TÁVKÖZLÉSI ÉS MÉDIAINFORMATIKAI TANSZÉK BUDAPESTI …w3.tmit.bme.hu/courses/vitt9181-03/materials-ly/vitt9181-11-ROU... · » A forgalomirányító algoritmusokkal szemben támasztott