Vorlesung: Netzwerke (TK) WS 2009/10 Kapitel 4 Internetworking Session 12

Transkript

1 Vorlesung: Netzwerke (TK) WS 2009/10 Kapitel 4 Internetworking Session 12 Prof. Dr. Michael Massoth [Stand: ] 12-1

2 12-2 Kapitel 4: Internetworking [Es gibt mehr als ein Netzwerk] Routing 12-2

3 12-3 Lernziele heute: Router und Routing Lernziele im Detail: Den Unterschied zwischen Weiterleitung und Routing verstehen und erklären können Den Unterschied zwischen Routed und Routing Procotols verstehen und erklären können Was ein Router ist und tut verstehen und erklären können Unterteilung der Routingprotokolle verstehen und erklären können 12-3

4 Problem: Routing

5 Routing durch das Internet

6 Routing Basics (1)

7 Routing Basics (2) 12-7 Problem: Find lowest cost path between two nodes 12-7

8 Forwarding versus Routing 12-8 Forwarding versus Routing: Forwarding: to select an output port based on destination address and routing table Routing: Process by which routing table is built Routing (Definition): The process of finding a path to a destination host Routing is very complex in large (heterogene) networks because of the many potential intermediate destinations a packet might traverse before reaching ist destination host 12-8

9 Weiterleitung versus Routing 12-9 Weiterleitung versus Routing: Wir betonen (nochmal) die wichtige, oft vernachlässigte Unterscheidung zwischen Weiterleitung und Routing. Merke: Weiterleitung besteht darin, dass die Zieladresse eines Pakets (z. B. eines IP Datagramms) in einer Tabelle nachgesehen wird. Dann wird das Paket in die Richtung versendet, die von der Tabelle vorgegeben ist. Weiterleitung ist ein relativ gut definiter Prozess, der lokal in einem Knoten ausgeführt wird Merke: Routing ist der Prozess, bei dem die Weiterleitungstabellen erstellt werden. Routing hängt von komplexen verteilten Algorithmen ab, die sich im Verlauf der Geschichte ständig weiterentwickeln. 12-9

10 Routed and Routing Procotols (1) Routed or routable protocols are capable of being routed over an internetwork: Protocols that provide support for the network layer (L3) are called routed or routable protocols Routed or routable protocols define the format and use of the fields within the header Examples: IP, IPX (Novell Internetwork Packet Exchange), DECnet, AppleTalk Datagram Delivery Protocol, Netware, and Xerox Network Systems (XNS), etc

11 Routed and Routing Procotols (2) Routing protocols route packets through an internetwork definition: Routing protocols are protocols that implement routing algorithms Supports routed/routable protocols by providing mechanisms for sharing routing informations Allows the routers to communicate with other routers to update and maintain routing tables Messages of routing protocols move between routers Examples: Routing Information Protocol (RIP), Interior Gateway Routing Protocol (IGRP), Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (EIGRP), Open Shortest Path First (OSPF), Exterior Gateway Protocol (EGP), and Border Gateway Protocol (BGP) 12-11

12 Routing versus Switching Features Router Switch Speed Slower Faster OSI Layer Layer 3 Layer 2 Addressing used IP MAC Broadcasts Blocks Forwards Security Higher Lower 12-12

13 Einzelprotokoll und Multiprotokoll Routing Einzelprotokoll (z.b. nur IP) versus Multiprotokoll Routing: Siehe Beispiel: 12-13

14 Routing Tabelle No match Destination Network IP of next-hop router Interface /8 connected E /8 connected E / S / /0 Default Route connected S S

15 What does a router do? Accept incoming packets Lookup destination in forwarding table Destination x.x x 18.x.x.x Next hop Router A Router X Router A Interface Send packet to appropriate next hop 12-15

16 Heterogeneity: The Power of IP Router data packet Ethernet ATM data packet HTTP TCP IP Eth HTTP TCP IP ATM Separate physical networks communicate to form a single logical network 12-16

17 Router (1) Router: A box to put interface cards in 12-17

18 Router (2) Control processor Input port Switching fabric Output port Blockdiagramm eines Routers Leistungsrate (engl. Line Rate) = Paketgrösse x pps (Paket pro Sekunde) 12-18

19 The Tasks of the Router (1) Packet received Valid Header Yes Decrease TTL TTL>0 Yes Recalculation of header checksum No No Discard Packet! Search destination network in routing table Route found? Yes Continue next Slide No ICMP error message to the sender Discard Packet! 12-19

20 The Tasks of the Router (2) Route found? No Yes Search physical address of next receiver in the ARP cache Yes Physical address found? No Send ARP request! ARP reply received? Yes New entry in ARP table! No ICMP error message to the sender Discard Packet! Provide packet with new MAC address and send it to output port indicated in routing table 12-20

21 Searching for entries in routing table Search destination network in routing table Extract Destination IP Address Separate Network and Host Share Yes Direct Connection? No Host-specific Address? No Network-specific Address? No Default Entry? No Yes Yes Yes Host-entry Network-entry Next Receiver: Host Local network Notify Error! Next Receiver: Neighbor Router 12-21

22 Statisches Routing (1) Statisches Routing: IP Routing Tabelle wird manuell oder höchstens teilautomatisiert (ICMP-Redirect, SNMP) auf jedem System getrennt verwaltet Verwaltungsaufwand steigt mit Größe des Netzwerks, Zahl der Routen, Geschwindigkeit des Wachstums Keine automatische Rekonfiguration, d.h. keine alternative Pfadwahl z.b. in Ausfallsituationen Vorteile: - In kleinen, sich seltenen ändernden Netzwerken ohne redundante Router etc. leicht pflegbar - keine Sicherheitsprobleme durch Routing Protokolle 12-22

23 Statisches Routing (2) Statisches Routing: Beispiel: Nur eine Verbindung vorhanden Internet Only a single network connection with no need for routing updates Point-to-Point or circuit-switched connection Sub network 12-23

24 Dynamisches Routing (1) Dynamisches Routing: IP Routing Tabellen werden mit Hilfe von Routing Protokollen automatisch zwischen den beteiligten Systemen aktualisiert Ziele: - Routing Tabellen in allen beteiligten Systemen möglichst zu jedem Zeitpunkt aktuell halten - Änderungen im Netzwerk (bei Ausfall, Wartungsarbeiten etc.) so schnell wie möglich an alle beteiligten Systeme verbreiten - Erhöhung der Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit, Verringerung des Wartungsaufwands - Lastverteilung (Diensttypen etc.) 12-24

25 Dynamisches Routing (2) Dynamisches Routing: Mehr Flexibilität Ermöglicht Loadsharing 12-25

26 Two kinds of Routing Protocols Inside an ISP/Enterprise: Metric-based, interior gateway protocol (IGP) Metrics used to optimize use of network Examples: RIP, OSPF Between ISPs: Reachability, external gateway protocol (EGP) Routing determined based on economic/political/technical issues Example: BGP (Border Gateway Protocol) 12-26

27 Unterteilung der Routingprotokolle Unterteilung der Routingprotokolle nach Einsatzgebiet (im administrativen Sinne): - Interior Gateway Protokolle (IGP s) - Exterior Gateway Protokolle (EGP s) Verwendeten Protokoll-Algorithmen: - Distance-Vector (Bellman-Ford) - Link-State (Shortest Path First; SPF) - Etc. Multicast oder Unicast Routing Protokoll 12-27

28 Autonome Systeme (1) Begriff Autonome Systeme (AS) = abgeschlossene Routing-Einheiten: AS = Administrativ abgeschlossene Einheiten in einem Internet Abgeschlossen im Sinne der Verteilung von interner IP-Routing- Informationen Typische AS: IP Provider Netzwerke, z.b. Deutsche Telekom Routen innerhalb eines AS werden nicht an andere AS propagiert Es gibt keine Default-Routen zwischen AS 12-28

29 Autonome Systeme (2) Internet mit autonomen Systemen A deeper look Carrier A Website Carrier B Residential User Carrier C 12-29

30 Autonome Systeme (3) Internet mit autonomen Systemen An even deeper look Carrier A Website Carrier B Residential User Carrier C 12-30

31 Autonome Systeme (4) Autonome Systemen auch im MAN-Bereich Branch Office Headquarter Metro A Metro C Carrier A Metro B Residential User Remote Office RAN 12-31

32 Autonome Systeme (5) Autonome Systemen auch im MAN-Bereich Ethernet WDM Fiber Direct Fiber Ethernet MSO/ Cable COAX Ethernet Ethernet Ethernet Direct Fiber Copyright: 10. Dezember Michael 2009 Massoth SONET/ SDH Ethernet Ethernet PON Fiber Carrier 1 Ethernet TDM Bonded T1/E1 Bonded Copper Carrier 2 Ethernet Ethernet DS3/E3 Ethernet (Source: Metro Ethernet Forum) Carrier Ethernet - Sebastian Abt

33 IGP s vs. EGP s Interior/Exterior Internet Routing Protokollarten: Interior Gateway Protokolle (IGP s): - für Dynamisches Routing innerhalb eines AS - Beispiele: RIP, OSPF Exterior Gateway Protokolle (EGP s): - für Dynamisches Routing zwischen verschiedenen AS - Beispiele: Border Gateway Protocol (BGP) AS = Autonomes System = abgeschlossene Routing-Einheit 12-33

34 Internet architecture today Large corporation Peering point Consumer ISP Backbone service provider Consumer ISP Peering point Large corporation Consumer ISP Small corporation 12-34

35 Backbone: Internet2 architecture OC = Optical Carrier: ~ SONET STS 192 = 192 * Mbit/s = 9, Megabit/s = Gigabit/s c = concatenated = dt. verkettet 12-35

36 Internet2 loading

37 12-37 Kapitel 4: Internetworking [Es gibt mehr als ein Netzwerk] Routing und Routing Protokolle 12-37

38 12-38 Lernziele heute: Routing und Routing Protokolle Distance Vector Algorithmus Lernziele im Detail: Verschiedenen Metriken kennen, verstehen, unterscheiden und erklären können Distance Vector Algoritmus kennen und erklären können Count to Infinity Problem kennen und erklären können Routing Information Protocol (RIP) kennen und erklären können Split Horizon, Split Horizon With Poisoned Reverse und Triggered Updates kennen, verstehen und erklären können 12-38

39 Kosten oder Metriken (1) Die Kosten oder auch Metrik genannt, bezeichnen den Aufwand, um ein bestimmtes Netz zu erreichen. Frage ans Auditorium: Welche Metriken gibt es? [Antworten an Tafel sammeln] 12-39

40 Kosten oder Metriken (2) Die Kosten oder auch Metrik genannt, bezeichnen den Aufwand, um ein bestimmtes Netz zu erreichen. Frage ans Auditorium: Welche Metriken gibt es? [Antworten an Tafel sammeln] Antworten: Hopcount: Wie viele Router müssen passiert werden Bandwidth: Der Weg mit der größten Bandbreite ist der Beste Load: Der am geringsten belastete Weg ist der Beste Cost: Der Weg mit den geringsten Kosten ist der Beste Delay: Der Weg mit dem kleinsten Delay ist der Beste Oder Mischform aus allem 12-40

41 Routing inside an ISP Basic model: Find shortest path in graph Link weights statically configured A B 12-41

42 Zwei Hauptklassen von Routing Protokollen Es gilt zwei Hauptklassen von Routing Protokollen: Distanzvektor (engl. Distance Vector) Beispiele: RIP, IGRP, BGP Link State Beispiele: OSPF, IS-IS 12-42

43 Anforderungen an Routing Protokolle Frage: Welche Anforderungen werden an Routing-Protokolle gestellt?? [Frage an das Auditorium, Ideen an Whiteboard/Tafel sammeln] 12-43

44 Anforderungen an Routing Protokolle Frage: Welche Anforderungen werden an Routing-Protokolle gestellt? [Frage an das Auditorium, Ideen an Whiteboard/Tafel sammeln] Antworten: Kurze Konvergenzzeit Skalierbarkeit Anpassbare Metrik Unterdrückung von Routingschleifen Wenig Routing-Traffic Einfache Implementation und Konfiguration Robustheit Unterstütztung von Lastverteilung 12-44

45 Distance Vector Algorithmus (1) Distance Vector Algorithmus (DVA): Jeder Router der am Routingprozess teilnimmt, unterhält eine Tabelle mit Richtungen und Distanzen für alle möglichen anderen Ziele Alle bekannten Ziele/Distanzen werden zeitlich periodisch benachbarten Routern angezeigt (d.h. per broad-, multi- oder unicast Paketen) Aus den regelmäßig empfangenen Paketen konstruiert bzw. aktualisiert der DVA die Einträge für die Routing Tabelle (d.h. die mit der kleinsten Distanz zu dem jeweiligen Ziel) 12-45

46 Distance Vector Algorithmus (2) Distance Vector Algorithmus (DVA): Routing Updates werden nur an benachbarte Router an direkt angeschlossenen Segmenten ( direkte Links ) versendet Jeder Router kennt immer nur den Next Hop für jedes mögliche Ziel Verwendete Distanzen in DVA s: Metriken ; z. B. Zahl der Hops zum Ziel, oder administrativ festgesetzte oder protokollspezifische Werte Beste Distanz (Metrik 0): normalerweise direkte Links bei Änderungen werden sofort Updates gesendet (z.b. wenn ein Interface ausfällt) Routen, für die eine bestimmte Zeitlang kein Update empfangen wurde, werden entfernt; optional abschaltbar 12-46

47 Distance Vector Algorithmus (3) Distance Vector Algorithmus (DVA): Jeder Router verwaltet ein Set of Triples -(Destination, Cost, NextHop) Nur direkte Nachbarn tauschen Updates aus - Periodisch (in der Größenordnung von einigen Sekunden) - Immer wenn sich eine Tabelle ändert Jeder Update ist eine Liste von Paaren: -(Destination, Cost) 12-47

48 Distance Vector Algorithmus (4) Distance Vector Beispiel: Destination Cost NextHop A 1 A C 1 C D 2 C E 2 A F 2 A G 3 A 12-48

49 Distance Vector Algorithmus (5) Gemeinsamkeiten aller Routing-Protokolle mit DVA: Periodische Erneuerung In bestimmten Abständen werden alle Routing-Informationen ausgetauscht Nachbarkonzept. Jeder Router hat direkt erreichbare Nachbarn (Ausnahme BGP) Updates per Broadcast Routen haben einen TimeOut, einen Route Invalidation Timer Wird benötigt um alte Routing-Einträge zu löschen Ansonsten würden falsche Routen bestehen bleiben 12-49

50 Distance Vector Algorithmus im Detail Net A Net B Net C Net D Net E R1 R2 R3 R4 t 0 A B B C C D D E t 1 A B C R2 1 B C A R1 1 D R3 1 C D E R4 1 B R2 1 D E C R3 1 t 2 A B C R2 1 D R2 2 B C A R1 1 D R3 1 E R3 2 C D E R4 1 B R2 1 A R2 2 D E C R3 1 B R3 2 t 3 A B C R2 1 D R2 2 E R2 3 B C A R1 1 D R3 1 E R3 2 C D E R4 1 B R2 1 A R2 2 D E C R3 1 B R3 2 A R

51 Distance Vector Algorithmus (6) Frage: Welche Vor- und Nachteile haben Distance-Vector-Protokolle? Vorteile Einfach zu implementieren und konfigurieren Unterstützt Lastverteilung Wartung relativ leicht Weit verbreitet, auf vielen Plattformen verfügbar (d.h. insbesondere RIP) Nachteile Gefahr von Routing-Schleifen Lange Konvergenzzeit Count to infinity, Updates pflanzen sich nur langsam fort Skalieren schlecht für große Netzwerke Nur Hop-Count-Metrik Viel Routing-Traffic Routing-Update-Pakete können bei vielen Zielen sehr groß werden 12-51

52 Counting to infinity (1) A R4 1 A R1 3 Net A R3 R4 R1 A R2 2 A R3 2 R2 A R4 1 A R

53 Counting to infinity (2) A R4 1 ungültig A R1 3 R3 Routing-Update R4 Net A X Routing-Update R1 R2 A R2 2 A R3 2 A R4 1 ungültig A R

54 Counting to infinity (3) A R1 3 R3 Routing-Update A R3 3 A R3 4 A R2 4 R4 Net A X Routing-Update A R2 3 R1 A R2 2 A R3 2 R2 A R

55 Counting to infinity (4) A R1 3 A R4 5 R3 Routing-Update A R4 4 R4 A R3 4 A R2 4 Net A X Routing-Update A R4 4 R1 A R2 2 A R3 2 R2 A R1 3 A R

56 Counting to infinity (5) Counting to Infinity: Distance Vector-Protokolle benötigen einen Infinite Vector, der anzeigt, dass diese Route nicht erreichbar ist Ist Infinite noch nicht erreicht, so kreisen Pakete im Netz (bis TTL abgelaufen) Konvergenzzeit bei 30sec Updateperiode in vorherigen Beispiel bei Infinite=16! Beispiel: - Update-Roundtrip-Time <= 120sec - Start-Counter=4, pro Round-Trip erhöht sich Counter um 4 1. Update: Counter=8, 2. Update: Counter = 12, 3. Update: Counter=16; INFINITY - D.h. Konvergenzzeit = 3 * Update-Round-Triptime <= 360sec 12-56

57 12-57 Route Invalidation Timer Wird benötigt um alte Routingeinträge zu löschen Ansonsten würden falsche Routen bestehen bleiben 12-57

58 12-58 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Noch Fragen? Fragen und Diskussion 12-58