5. Weitverkehrsnetze und

Transkript

1 5 Weitverkehrsnetze und Routing 5. as Prinzip der Paketvermittlung 5.2 Virtuelle Verbindungen vs. atagramme 5.3 Wegewahl (Routing) für Punkt-zu-Punkt-Netze 5.4 Wegewahl (Routing) für Multicast-Netze 5.5 Überlastkontrolle in der Vermittlungsschicht 5.6 eispiele: IP, IPv6, TM 5a -

2 5. as Prinzip der Paketvermittlung ie Vermittlungsschicht im OSI-Referenzmodell nwendung arstellung Sitzung Transport Vermittlung Sicherung itübertragung Vermittlungssystem physikalisches Medium 5a - 2

3 ISO-efinition für die Vermittlungsschicht ie Vermittlungsschicht stellt die Fähigkeit bereit, Netzverbindungen zwischen offenen Systemen über Zwischensysteme hinweg aufzubauen, zu betreiben und abzubauen. ie Vermittlungsschicht bietet den Transportinstanzen Unabhängigkeit von Wegewahl- und Vermittlungsentscheidungen, die mit dem ufbau und etrieb einer Netzverbindung verbunden sind. 5a - 3

4 ufgaben der Vermittlungsschicht Wegewahl und Vermittlung von Paketen Multiplexen von nde-zu-nde-verbindungen über Schicht-2- Verbindungen Segmentierung ( Fragmentierung ) Zusätzlich in verbindungsorientierten Vermittlungsschichten: Verbindungsaufbau und -abbau Fehlererkennung und Fehlerbehebung (nde-zu-nde) Sicherstellung der Paketreihenfolge Flusskontrolle (nde-zu-nde) abei ist es wichtig, dass heterogene Teilnetze verbunden werden können ( Internetworking ). 5a - 4

5 5.2 Virtuelle Verbindung vs. atagramm Virtuelle Verbindung er Weg durch das Netz wird beim ufbau der virtuellen Verbindung ausgewählt, d. h., für jede neue virtuelle Verbindung findet in jedem Netzknoten nur einmal eine Wegewahlentscheidung statt. er gesamte über diese virtuelle Verbindung fließende Verkehr nimmt denselben Weg durch das Netz. atagramm Jedes Paket enthält die volle dresse des Ziel-osts. ie Zieladresse bestimmt in jedem Netzknoten auf dem Pfad stets neu die ausgehende Leitung. 5a - 5

6 ie Virtuelle Verbindung Perfekter" Kanal durch das Netz Ordnung der Nachrichten (Sicherstellung der Reihenfolge) Fehlerüberwachung (verlorene und duplizierte Pakete) Flusskontrolle Phasen Verbindungsaufbau atenübertragung Verbindungsabbau Vorteile Niedriger Mehraufwand für die dressierung während der atenübertragung ohe Qualität des ankommenden Paketstroms: keine Neusortierung oder Fehlerüberwachung in den höheren Schichten nötig 5a - 6

7 ufbau einer virtuellen Verbindung R R onnect Request Leitung auf bene 2 onnect Request R R R R R a) Festlegen des Weges R b) ufbauphase der. Teilstrecke R R onnect Response onnect onfirm onnect Response R R R R R c) Virtueller Verbindungsabschnitt existiert, Festlegung der Wegefortsetzung R d) nach weiteren Schritten virtuelle Verbindung fertigestellt 5a - 7

8 Implementierung von virtuellen Verbindungen In jedem Netzknoten werden Tabellen mit Zustandsinformationen über bestehende virtuelle Verbindungen verwaltet. (a) eispiel-subnetz: ost F (b) cht virtuelle Verbindungen durch dieses Subnetz: usgehend von F 2 F 3 4 F usgehend von 2 F 5a - 8

9 5a - 9 Zustandsinformation in den Netzknoten (c) Router-Tabellen für die virtuellen Verbindungen in (b) ingang usgang ingehender IMP oder ost ingehende virtuelle Verbindung 2 F F F 2 F 2 3 F F F F

10 as atagramm Jedes Paket (atagramm) wird als isolierte inheit betrachtet (wie ein Telegramm im Postverkehr): Volle Zieladresse in jedem Paket Pakete können außerhalb der Reihenfolge eintreffen Keine Fehlerüberwachung, keine Flusskontrolle in Schicht 3 Vorteile Primitiver als virtuelle Verbindungen, daher viel einfacher zu implementieren Kein Verbindungsaufbau und -abbau, deshalb geringer Overhead für kurzlebige Verbindungen flexibler und zuverlässiger besser geeignet für Internetworking heterogener Subnetze 5a -

11 5.3 Wegewahl für Punkt-zu-Punkt-Netze Vorbemerkung: esondere Netztopologien Wegfall des Wegewahlproblems auf roadcast-medien, zum eispiel in einem Segment eines LNs (us- oder Ring-Topologie): hier ist keine Wegewahl erforderlich, da jede Nachricht wegen der Topologie des physikalischen Mediums alle mpfänger erreicht. 5a -

12 Routing-lgorithmen ufgabe: Leitwegbestimmung für Pakete durch das Netzwerk vom Quellsystem zum Zielsystem er Leitwegbestimmungsalgorithmus eines Vermittlungsrechners (Routers, Knotens) entscheidet, auf welcher usgangsleitung ein eingegangenes Paket weiter geleitet wird. ei Virtuellen Verbindungen: Leitwegbestimmung nur beim Verbindungsaufbau. ei der atagrammtechnik: individuelle ntscheidung für jedes Paket Wünschenswerte igenschaften eines Routing-lgorithmus Korrekt infach Robust bei Rechner- oder Leitungsausfällen Fair Optimal 5a - 2

13 lgorithmen für die Leitwegbestimmung ie genannten Kriterien stehen im Zielkonflikt. In der Praxis hat sich als Ziel bewährt: Minimierung der Teilstrecken (hops) vom Sender zum mpfänger. 5a - 3

14 Leitwegbestimmung Klassifikation der Verfahren. Statische (nicht-adaptive) Verfahren keine erücksichtigung des aktuellen Netzzustands gehen von Mittelwerten aus Leitweg zwischen i und j wird für alle i, j vor der Inbetriebnahme des Netzwerks bestimmt keine Änderung während des etriebs 2. daptive Verfahren ntscheidungen basieren auf dem aktuellen Netzzustand laufend Messungen/Schätzungen der Topologie und des Verkehrsaufkommens Weitere Unterteilung der adaptiven Verfahren in zentralisierte Verfahren isolierte Verfahren verteilte Verfahren 5a - 4

15 Statische Leitwegbestimmung eim statischen Routing ist die gesamte Topologie des Netzes einer zentralen Stelle bekannt. Sie berechnet die optimalen Pfade für jedes Paar (i,j) von Knoten, erstellt daraus die Routing-Tabellen für die einzelnen Knoten und versendet diese. ie statische Leitwegbestimmung ist sinnvoll, wenn das Netz relativ klein und relativ statisch ist. Mehrfach-Leitwegbestimmung (multipath routing) enutzung alternativer Leitwege zwischen jedem Knotenpaar (i,j) äufigkeit der Nutzung abhängig von der Güte der lternative höherer urchsatz durch Verteilung des atenverkehrs auf mehrere Pfade höhere Zuverlässigkeit, da der usfall eines Links nicht so schnell zur Unerreichbarkeit von Knoten führt 5a - 5

16 Realisierung () Jeder Knoten enthält eine Routing-Tabelle mit je einer Spalte für jeden möglichen Zielknoten Z G 2 G2 n Gn Z i Ziel i-beste usgangsleitung G i Gewicht für i (G i bestimmt die Wahrscheinlichkeit, mit der i benutzt wird) n i= G i = 5a - 6

17 Realisierung (2) uswahl der lternativen: Generiere eine Zufallszahl z ( <= z <= ) Wähle, falls <= z < G Wähle 2, falls G <= z < G + G2... Wähle n, falls G + G G(n-) <= z < eispiel : Ziel, Quelle J I a - 7

18 Statische Leitwegbestimmung: eispieltopologie Topologie des eispielnetzes F G I J K L Wir betrachten die Pfade vom Knoten J aus. 5a - 8

19 Statische Leitwegbestimmung: eispieltabelle Statische Routing-Tabelle mit alternativen Pfaden Ziel rste Wahl Zweite Wahl ritte Wahl.63 I I I I.25.4 I.4.2 F I.33 G.46.3 K K.2.6 I I K K L K a - 9

20 estimmung der Leitwegtabellen ie Routing-Tabellen werden beim statischen Routing vom Netzwerkoperator zentral erstellt. Sie werden vor Inbetriebnahme des Netzes in die Knoten geladen und dann nicht mehr verändert. igenschaften einfach gute rgebnisse bei relativ konstanter Topologie und konstantem Verkehr ber: schlecht bei stark variierendem Verkehrsaufkommen und bei Topologieänderungen schlecht bei großen Netzen (skaliert nicht). In der Praxis noch immer gelegentlich benutzt, zum eispiel in SN-Netzen. er Netzoperator kennt stets die gesamte Topologie. verwendet beispielsweise den lgorithmus kürzeste Wege von ijkstra einmal für jeden Knoten zur Konstruktion der Routing-Tabellen. 5a - 2

21 Zentralisierte adaptive Leitwegbestimmung () Prinzip Im Netz gibt es ein Routing ontrol enter (R, (Leitwegsteuerzentrum) Jeder Knoten sendet periodisch Status-Information zum R, beispielsweise die Liste der verfügbaren Nachbarn aktuelle Warteschlangenlängen uslastung der Leitungen, etc. as R sammelt die Informationen und berechnet den optimalen Pfad für jedes Knotenpaar, berechnet die einzelnen Leitwegtabellen und verteilt diese dann an die Knoten. 5a - 2

22 Zentralisierte adaptive Leitwegbestimmung (2) igenschaften R hat vollständige Information => die ntscheidungen sind optimal ie inzelknoten sind von der Leitwegberechnung befreit. ber: ie erechnung muss oft durchgeführt werden (ca. einmal pro Minute oder öfter) s entsteht eine Verkehrskonzentration in der Nähe des R ("performance bottleneck") ie Technik ist nicht robust: das R ist ein single point of failure. as Verfahren funktioniert nicht bei Netzpartitionierung. ie einzelnen Knoten erhalten ihre neuen Tabellen jeweils zu unterschiedlichen Zeiten => Inkonsistenzen und damit routing loops sind möglich. 5a - 22

23 as Routing ontrol enter 5a - 23

24 Isolierte adaptive Leitwegbestimmung Prinzip Kein ustausch von Routing-Information zwischen Knoten ntscheidungen basieren ausschließlich auf lokal verfügbaren Informationen eispiele für Verfahren ackward Learning Flooding elta-routing (Rudin, 976) 5a - 24

25 lgorithmus "ackward Learning" Knoten "lernt" von eintreffenden Paketen Paket (..., Q, Z,... ) Q = Quell Knoten Z = Teilstreckenzähler (hop counter) Paket wird auf Leitung L empfangen => Q ist über L in Z Teilstrecken erreichbar Leitwegtabelle im Knoten: Jeder intrag ist ein Tripel (Zielknoten, usgangsleitung, Z min ) ktualisierung der Leitwegtabelle: Knoten empfängt Paket (..., Q, Z,... ) auf Leitung L if not (Q in Tabelle) then add(q,l,z) else if Z < Z min then update(q,l,z) 5a - 25

26 ackward Learning: eispiel P L L 2 P2 P(...,,4,...) -> add(,l,4) P2(...,,3,...) -> update(,l2,3) 5a - 26

27 Pfadverschlechterung beim ackward Learning Problem lgorithmus registriert keine Verschlechterungen! Lösung periodisches Löschen der Leitwegtabellen (neue Lernperiode) ber: Löschzeitpunkte kritisch: zu häufig: Netz ist überwiegend in der Lernphase zu selten: zu langsame Reaktion auf Verschlechterungen 5a - 27

28 lgorithmus Flooding in empfangenes Paket wird auf allen Leitungen weiter geleitet außer auf derjenigen, auf der es angekommen ist. 5a - 28

29 Flooding: bklingen des Paketflusses Problem: Unendliche nzahl von uplikaten egrenzung des Prozesses: Streckenzähler ("hop counter") im Paketkopf Initialisierung mit dem urchmesser des Netzes = längstem Pfad im Netz (worst case) wird auf jeder Teilstrecke um dekrementiert uplikate erhalten den Streckenzähler des Originals Zähler = : Paket wird vom Router weggeworfen igenschaften von Flooding sehr robust, sehr einfach, aber große nzahl von uplikaten, große Netzbelastung => insatz nur für sehr spezielle nwendungen 5a - 29

30 lgorithmus "elta-routing" () Prinzip Kombination von isoliertem und zentralisiertem Verfahren. Jeder Knoten berechnet periodisch die "Kosten" seiner Leitungen und sendet diese zum R (Kosten = Funktion von Verzögerung, Warteschlangenlänge,...) R berechnet die k besten Pfade von Knoten i nach Knoten j (für alle i, j ) Liste der zum besten Pfad "äquivalenten" Pfade mit c ij c n ij < δ mit m c ij = Gesamtlänge des m-besten Pfades R sendet jedem Knoten für jedes mögliche Ziel eine Liste von äquivalenten Pfaden Jeder Knoten darf zwischen den äquivalenten Pfaden frei wählen 5a - 3

31 lgorithmus "elta Routing" (2) ie Wahl von δ entspricht dem Verschieben der Macht zwischen Knoten und R: δ -> : R trifft die ntscheidung allein δ-> : der Knoten trifft die ntscheidung allein ei geeigneter Wahl von δ kann eine bessere Leistung als bei rein isolierten oder rein zentralisierten Verfahren erreicht werden. 5a - 3

32 Verteilte Leitwegbestimmung Prinzip ie Knoten tauschen mit ihren Nachbarn Leitweginformationen aus: Jeder Knoten kennt die "ntfernung" zu jedem Nachbarn nzahl der Teilstrecken (= ) Verzögerungszeit (cho-pakete) Warteschlangenlänge, etc. Jeder Knoten sendet periodisch seinen Nachbarn eine Liste mit seinen geschätzten ntfernungen zu jedem Ziel. X empfängt eine Liste vom Nachbarn Y ntfernung (X, Y) = e ntfernung (Y, Z) = (Z) => ntfernung(x, Z) über Y : (Z) + e ie Tabelle mit den einem Knoten bekannten istanzen heißt istanzvektor. as Verfahren heißt deshalb auch "distance vector routing". 5a - 32

33 Verteilte Leitwegbestimmung () eispiel F G I J K L Wir betrachten die istanzen vom Knoten J aus. 5a - 33

34 Verteilte Leitwegbestimmung (2) I K I I F I G I I J K K L K J Verzögerung=8 JI Verzögerung= J Verzögerung=2 JK Verzögerung=6 Rechte Spalte: nach dem intreffen der istanzvektoren neu ermittelte istanzen von J aus 5a - 34

35 ierarchische Leitwegbestimmung ie Größe der Routing-Tabellen ist proportional zur Größe des Netzwerks: großer Speicherbedarf in den Knoten viel PU-Zeit zum urchsuchen der Tabellen viel andbreite zum ustausch von Routing-Informationen. ine hierarchische Leitwegbestimmung wird ab einer bestimmten Netzgröße notwendig: ie Knoten werden in Regionen gruppiert Jeder Knoten kennt alle etails seiner Region seine Leitwege zu allen anderen Regionen Nachteil: nicht immer sind global optimale ntscheidungen möglich 5a - 35

36 eispiel für die hierarchische Leitwegbestimmung Region Region 3 Region 4 Region 5 Region 2 Tabelle für ierarchische Tabelle Ziel Leitung TStrecke Ziel Leitung TStrecke a - 36

37 Routing im Internet istance Vector Routing as in den frühen Jahren im Internet am meisten verwendete Verfahren ist ein adaptives verteiltes Verfahren auf der asis von istanzvektoren (distance vector routing). as eingesetzte Protokoll heißt RIP (Routing Information Protocol). lle Internet-Router tauschen dabei periodisch RIP-Nachrichten aus und aktualisieren ihre Routing-Tabellen beim intreffen von RIP-Nachrichten von ihren Nachbarn. 5a - 37

38 eispiel für Routing mit istanzvektoren () From to ab link cost ab ab ad 2 From to link cost ab bc bc ad 2 bc From to From to cd link cost bc bc cd ce 2 link cost ad cd cd de 2 de ce From to link cost ce de (a) Knoten ist gerade hinzugekommen 5a - 38

39 eispiel für Routing mit istanzvektoren (2) From to ab ab ad ad ab link cost 2 2 From to link cost ab bc bc bc ad 2 2 bc From to From to cd link cost bc bc cd ce 2 link cost ad cd cd de 2 de ce From to link cost de ce ce de 2 2 (b) nach einer Runde von RIP-Nachrichten 5a - 39

40 OSPF-Routing in zweiter wichtiger und heute meist verwendeter Routing-lgorithmus im Internet ist OSPF (Open Shortest Path First). ie Idee ist, dass alle Knoten jederzeit die gesamte Netztopologie kennen und lokal alle optimalen Pfade berechnen können. Wenn sich die Topologie ändert, tauschen die Knoten Änderungsnachrichten aus. Jeder Knoten unterhält lokal eine atenbank über die gesamte Topologie. uf der asis der vollen Topologie werden die optimalen Pfade zu allen anderen Knoten mit dem lgorithmus für kürzeste Wege von ijkstra (Shortest Path First = SPF) berechnet. Im Internet-Slang heißt der lgorithmus deshalb auch Open Shortest Path First. 5a - 4

41 eispiel für OSPF-Routing () bc ce ab cd de ad (a) Netzwerk im stabilen Zustand 5a - 4

42 eispiel für OSPF-Routing (2) ce ab cd de (b) ie Links bc und ad sind ausgefallen 5a - 42

43 eispiel für OSPF-Routing (3) ce ab cd de (c) Nach einer Runde von OSPF-Nachrichten 5a - 43