شبکه هاي کامپيوتري

1. شبکه هاي کامپيوتري فصل پنجم: لايه شبکه (NetworkLayer) بخش دوم: مسیریابی سلسله مراتبی، مسیریابی چندپخشی وحید حقیقت دوست دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه شاهد

2. مسیریابی سلسله مراتبی Hierarchical Routing

3. Internet-Map

4. مسیر یابی سلسله مراتبی (1) • مشکلات ابعاد: • با بزرگ شدن انداز ه شبکه، جداول مسیریابی در مسیریابها رشد پیدا میکنند • رشد جداول مسیریابی نه تنها نیازمند حافظه بیشتر برای نگهداری جدول بلکه افزایش زمان جستجو میگردد • از طرف دیگر تبادل جداول مسیریابی پهنای باند زیادی را مصرف خواهد کرد • مشکلات مدیریتی • شبکه اینترنت از شبکه ای از شبکه ها تشکیل شده • مدیر هر شبکه ممکن است بخواهد مسیریابی را در شبکه خودش مدیریت نماید در مسیریابی سلسله مراتبی بدینصورت عمل میشود که در هر مسیریاب به ازای مجموعه ای از مسیریابها، یک وارده ثبت میشود.

5. روترها، روی ناحیه ها (regions) با عنوان ناحیه های مستقل (AS) (autonomous systems) با هم توافق میکنند روترهای واقع شده در هر AS از پروتکل مسیریابی (routing protocol) یکسان استفاده میکنند. (intra-AS routing protocol) برای ارتباط هر دو ناحیه با یکدیگر، یک روتر بعنوان روتر دروازه (gateway routers) تعیین میشود یک روتر خاص در AS پروتکل مسیریابی درون ناحیه ای (intra-AS routing) را با دیگر روترهای داخل AS اجرا میکند و نتایج آنرا به خارج از ناحیه انتقال میدهد بادیگر روترهای دروازه پروتکل میان ناحیه ای (inter-AS routing) را اجرا میکند مسیر یابی سلسله مراتبی(2) روترهای دروازه (gateway routers)

6. Hierarchical Routing

7. Routing in the Internet • اینترنت به چندین سیستم مستقل (AS) تقسیم شده است • برای مثال: Stanford (32), HP (71), Shahed(12880) • با مراجعه به سایت nic.ir و ثبت query در بخش whois بصورت زیر میتوان به اطلاعات مربوط به AS هر IP که مدنظر است دست یافت: • -h whois.cymru.com -v <IP address> • Ex: -h whois.cymru.com -v 178.252.141.2 • داخل یک AS، مدیر شبکه یک پروتکل درون ناحیه ایInterior Gateway Protocol (IGP) (Intra AS) را انتخاب میکند • برای مثال: RIP (rfc 1058), OSPF (rfc 1247). • بین AS ها، در اینترنت از پروتکل بین ناحیه ای Exterior Gateway Protocol (BGP) (Inter AS) استفاده میکند. • AS ها امروز از Border Gateway Protocol، BGP-4 (rfc 1771) استفاده میکنند

8. مثالی از یافتن AS number دانشگاه شاهد آپ لینک مخابرات 217.218.141.2=ns1.shahed.ac.ir آپ لینک شرکت مبنا 178.252.141.2=ns3.shahed.ac.ir

9. A.c b d b b C.b A.a a B.a a c c a Intra-AS Routing Algorithm Inter-AS Routing Algorithm جدول مسیریابی To/from B.a and A.a To/from A.b مسیریابیIntra-AS و Inter-AS C B • دروازه ها: • مهیا سازی مسیریابی درونی بین مسیریابهای داخل AS (Inter-AS Routing) • مهیا سازی مسیریابی بین مسیریابهایدروازه (Intra-AS Routing ) A Inter/intra-AS routing در دروازهA.c To/from A.d

10. A.c B.a A.a C.b b a b b d a c a c مسیر یابی درون ناحیه ای (Intra-AS)و بین ناحیه ای (Inter-As) Inter-AS routing between A and B Host2 B C Intra-AS routing within AS B A Intra-AS routing within AS A Host1

11. جداول هدایت (Forwarding Tables) • جداول هدایت، توسط الگوریتمهای مسیریابی درون ناحیه ای و بین ناحیه ای تولید میشوند • الگوریتم مسیریابی درون ناحیه ای، وارده های مربوط به مقصدهای داخل ناحیه را تعیین میکند • الگوریتم مسیریابی درون ناحیه ای و بین ناحیه ای هر دو وارده های مربوط به مقصدهای خارج از ناحیه را تعیین میکنند

12. فرض کنید روتری در AS1 یک دیتاگرام را که مقصدش خارج از AS1 است، دریافت کند: روتر باید این بسته را برای روتر دروازه (gateway router) ارسال نماید ولی کدامیک از روترهای دروازه؟ AS1 باید: یاد بگیرد که کدام مقصد ها از طریق AS2 و کدام مقصدها از طریق AS3 قابل دسترس هستند اطلاعات بدست آمده را برای تمامی روترهای موجود در AS1 ارسال نماید 2c 2a 1c 3a 3b 1b 1a 2b 1d Inter-AS Tasks AS3 AS2 AS1

13. 2c 2a 1c 3a 3b 1b 1a 2b 1d مثال: تنظیم جدول هدایت در روتر 1d • فرض کنید AS1 با استفاده از پروتکل درون ناحیه ای یادمیگیرد که زیر شبکه x از طریق AS3 (با استفاده از دروازه 1a) در دسترس است و از طریق AS2 به آن دسترسی وجود ندارد • پروتکل بین ناحیه ای اطلاعات مربوط به دسترسی به تمامی روترهای داخلی را انتشار میدهد • روتر 1d از طریق مسیریابی درون ناحیه ای متوجه میشود که از طریق واسط I کم هزینه ترین مسیر را تا 1a دارد. • وارده (x,I)را در جدول خود اضافه میکند. … x AS3 AS2 AS1

14. 2c 2a 1c 3b 1b 3a 1a 2b 1d مثال: انتخاب از میان چندین AS • حال فرض کنید که AS1 با استفاده از پروتکل درون ناحیه ای یاد میگیرد که زیر شبکه x از طریق AS3 و AS2 در دسترس است • برای تنظیم جداول هدایت، روتر 1d باید تعیین کند که کدام دروازه باید برای هدایت بسته های مربوط به زیر شبکه x انتخاب شود. • این مورد نیز از وظایف پروتکل مسیریابی بین ناحیه ای میباشد. • مسیریابی سیب زمینی داغ (hot potato routing): بسته را به روتری که نزدیکتر است تحویل میدهیم ….. … x AS3 AS2 AS1

15. hot potato routing • ارسال بسته به روتر دروازه ای که نزدیکتر است Use routing info from intra-AS protocol to determine costs of least-cost paths to each of the gateways Learn from inter-AS protocol that subnet x is reachable via multiple gateways Determine from forwarding table the interface I that leads to least-cost gateway. Enter (x,I) in forwarding table Hot potato routing: Choose the gateway that has the smallest least cost

16. مسیر یابی در اینترنت (Routing in the Internet)(RC1812): ملزومات مسیریابهای IP.V4 • اینترنت جهانی از تعدادی سیستم مستقلAutonomous Systems (AS)که به هم متصل هستند تشکیل شده است: • AS انتهایی یا AS بن بست (Stub AS): مربوط به شرکتهای کوچک است که یک نقطه اتصال به دیگر AS ها دارد • AS چند گانه (Multihomed AS): مربوط به شرکتهای بزرگ (بدون ترانزیت) میباشد که در آن چندین اتصال به دیگر AS ها دارد ولی امکان تبادل پیام بین دیگر AS ها را ندارد • AS انتقال (Transit AS): چندین AS را به هم متصل میکند.

17. تبادل پیامها در مسیریابی سلسله مراتبی (1) Transit AS Transit AS Stub AS Stub AS Multihomed AS Stub AS IP traffic provider customer

18. ftp smtp telnet http snmp … tftp rtp dns پشته پروتکلی TCP/IP Transmission Control Pr. (TCP) User Datagram Pr. (UDP) Control protocols Routing protocols … igmp bgp … ospf icmp rip Internet Protocol (IP) rarp arp Ethernet, Wireless, token ring, FDDI, ATM, Frame relay, SNA, X25 ICMP: Internet Control Message Protocol, RFC792 IGMP: Internet Group Management Protocol, RFC 2236

19. پروتکلهای درون و بین ناحیه ای • درون ناحیه ای (Intra-AS):مدیر شبکه در انتخاب الگوریتم مسیریابی مختار است • با عنوان Interior Gateway Protocols (IGP)نیز شناخته میشود • چند پروتکل درون ناحیه عبارتند از: • RIP: Routing Information Protocol (RFCs1058,2453) • از روش بردار فاصله (DV:distance vector) استفاده میکند • اطلاعات مسیریابی بین همسایگان در 30 ثانیه تبادل میشود. • OSPF: Open Shortest Path First (RFC2328) (Open Spec.) • از روش حالت پیوند (LS: Link-State) استفاده میکند. • IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (Cisco proprietary) • از ورش حالت پیوند استفاده میکند و مخصوص تجهیزات سیسکو میباشد. • بین ناحیه ای (Inter-AS): استاندارد یکتا برای مسیریابی بین AS ها میباشد. • پروتکل BGP : Border Gateway Protocol (RFC1771)

20. Border Gateway Protocol (BGP-4) • BGP، پروتکل حالت پیوند و یا بردار فاصله نمیباشد • BGP از مسیر یابی بردار مسیر (Path vector) استفاده میکند. • BGP، تمامی مسیرها را تبلیغ (advertise) میکند (یک لیست از AS ها) • مثالی از تبلیغ مسیر بصورت زیر است: • “The network 171.64.0.0/16 can be reached via the path {AS1, AS5, AS13}”. • مسیرهای با چرخه (loop) بصورت محلی شناسایی شده و نادیده گرفته میشوند • سیاستهای محلی، مسیر بهینه را از بین تمامی مسیرها انتخاب میکند • زمانی که یک لینک قطع شود، کل مسیرهایی که از آن لینک استفاده میکردند، نابود میشود

21. AS 1239 Sprint ASPATH Attribute AS 1129 135.207.0.0/16 AS Path = 1755 1239 7018 6341 Global Access AS 1755 135.207.0.0/16 AS Path = 1239 7018 6341 135.207.0.0/16 AS Path = 1129 1755 1239 7018 6341 Ebone AS 12654 Pick shorter AS path RIPE NCC RIS project 135.207.0.0/16 AS Path = 7018 6341 AS 7018 135.207.0.0/16 AS Path = 3549 7018 6341 135.207.0.0/16 AS Path = 6341 AT&T AS 3549 AS 6341 135.207.0.0/16 AS Path = 7018 6341 AT&T Research Global Crossing 135.207.0.0/16 Prefix Originated

22. مسیر یابی چند پخشی

23. سرویسهایی که پروتکل IP ارائه میکند • IP سرویسهای زیر را ارائه مینماید • یک به یک (تک پخشی):one-to-one (unicast) • یک به همه (همه پخشی) :one-to-all (broadcast) • یک به چند (چند پخشی): one-to-several (multicast) • سرویس یک به چند در IP، سرویس چند به چند (many-to-many) را نیز پشتیبانی میکند.

24. تک پخشی(Unicast) • در مسیریابی تک پخشی، روتر بسته های دریافتی را در یک خروجی ارسال میکند

25. چند پخشی (Multicast) • در چند پخشی، روتر ممکن است بسته دریافتی را در بیش از یک خروجی ارسال کند

26. مسیر یابی چند پخشی (Multicast Routing) • برخی از برنامه های کاربردی نیازمند مسیریابی چندپخشی میباشند. • مسائل این حوزه، ساخت درخت، آدرس دهی چندپخشی و نحوه هدایت بسته ها میباشد

27. به چه روشهایی میتوان چند پخشی را انجام داد • چندین تک پخشی ( Multiple unicast) • با استفاده از لایه ارسال یک به یک برای تمامی مقصدها بسته ارسال میشود • چندپخشی در لایه کاربرد (Application-layer multicast) • هر میزبان بسته را دریافت و برای یک یا چند میزبان دیگر نیز ارسال میکند • چند پخشی در لایه شبکه (Network multicast) • این روش در لایه شبکه تعبیه میشود • اطلاعات در روترها تکثیر میشوند

28. چندین تک پخشی (Multiple Unicasts) • گره مبدا سه پیام را به 3 مقصد تعیین شده ارسال میکند • هر بسته آدرس مقصد خاص خود را دارد مبدا

29. چندپخشی در لایه کاربرد (Application-layer multicast) • سیستمهای انتهایی در فرایند چندپخشی مشارکت دارند و یک بسته را بصورت تک پخشی برای گره های دیگر ارسال مینماید • مثالی از این تکنولوژی شبکه های P2P هستند

30. چند پخشی در لایه شبکه (Network multicast) • روترها بصورت فعال در چندپخشی مشارکت دارند و بسته ها را روی چندین اینترفیس خود ارسال میکنند ♪ ♪ ♪ ♪ ♪ ♪ ♪

31. برنامه هایی که به چند پخشی نیاز دارند • یکطرفه، تک فرستنده (one-to-many): • تلویزیون (TV) • یادگیری غیر تعاملی (Non-interactive learning) • به روز رسانی بانک اطلاعاتی (Database update) • انتشار اطلاعات (Information dispersal) • پچها و بروز رسانی های نرم افزار (Software updates/patches) • بیش از دو فرستنده بصورت تعاملی (many-to-many): • کنفرانس تلفنی (Teleconference) • یادگیری تعاملی (Interactive learning)

32. درخت های چندپخشی (Multicast Trees)ایده پایه Server G Server G G G G G G G G G یک چندپخشی (Single multicast) چندین تک ارسال (Multiple unicasts)

33. اتصالات چند پخشی • یک درخت برای اتصال روترها ایجاد میشود. دو روش کلی برای این منظور وجود دارد: • درخت مشترک در گروه (Group-shared tree): در این روش تمامی اعضای گروه از یک درخت مشترک استفاده میکنند. • درخت مبتنی بر گره مبدا (Source-based tree): درختهای مختلفی برای گروه وجود دارد. به ازای هر مبدا یک درخت وجود دارد که مبدا در ریشه درخت است. ♪ ♪ ♪ ♪ ♪ ♪ ♪ ♪ Group- Shared tree

34. دسته بندی الگوریتم های مبتنی بر درخت • درخت مشترک در گروه: • minimal spanning (Steiner) • center-based trees • درخت مبتنی بر گره مبدا: • shortest path trees • reverse path forwarding ♪, ♪: sources ♪ ♪ ♪ ♪ ♪ ♪ ♪ ♪ Source-based trees

35. 6 3 1 i 4 2 5 Shortest Path TreeSource-Based • درخت هدایت چند پخشی به ازای هر مبدا ایجاد میشود • از الگوریتم دگسترا استفاده میشود ♪ R1 Source ♪:router with attached group member ♪ R4 R2 link used for forwarding, i indicates order link added by algorithm R5 ♪ R3 R7 ♪ R6

36. Reverse Path ForwardingSource-Based • روتر ها براساس دانش بدست آمده از کوتاهترین مسیر مربوط به بسته های تک پخشی استفاده میکنند • هر روتر یک رفتار ساده برای هدایت بسته ها دارد: • اگر بسته چند پخشی از یک مبدا رسید و از همان اینترفیسی که مربوط به کوتاهترین مسیر به آن مبدا است وارد شد • آنگاه بسته را روی تمامی اینترفیسهای مربوط به گروه در خروجی ارسال کن • در غیر اینصورت از دیتاگرام صرفنظر کن

37. مثال Reverse Path Forwarding: ♪ R1 Source ♪:router with attached group member ♪ R4 R2 datagram will not be Forwarded datagram will be forwarded R5 ♪ R3 R7 ♪ R6

38. درخت مشترک بهینه: Steiner Tree • درخت پوشای بهینه استخراج و تمامی اعضای گروه از آن استفاده میکنند • یک مساله NP-complete است • اطلاعات کامل از تمام شبکه مورد نیاز است

39. درخت مشترک مبتنی بر هسته: center-based trees • یک درخت مشترک برای تمامی گره ها • یک روتر بعنوان روتر مرکزی (هسته) انتخاب میشود • برای اتصال • روتر لبه یک پیام تک پخشی join-messageبه گره هسته ارسال میکند • پیام join-message توسط روترهای میانی بررسی شده و در نهایت به هسته تحویل داده میشود • مسیر طی شده توسط join-message بعنوان شاخه جدید درخت اضافه میشود.

40. مثال Center-Based Trees • Suppose R6 chosen as center: ♪ R1 Source ♪:router with attached group member 3 ♪ R4 R2 1 path order in which join messages generated R5 2 P ♪ 1 R3 R7 ♪ R6

41. Network Host 110 درخت چندپخشی و آدرس دهی • همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، برای آدرسهای IP، پنج کلاس تعریف میشود. یک کلاس مربوط به ترافیک چندپخشی میباشد • تمامی اعضای یک گروه ازآدرس “Class D” که آدرس گروه است را به اشتراک میگذارند • یک ایستگاه انتهایی ممکن است میتواند عضو یک گروه شود • با استفاده از پیامهای IGMP: Internet Group Management Protocol • روترها وضعیت عضویت هر یک از ایستگاه های انتهایی را به گروهها بصورت وضعیت نرم (Soft-State) نگهداری میکنند • در حالت Soft-State وضعیت باید بصورت دوره ای به روز شود range format class 1.0.0.0 to 126.255.255.255 A Network 0 Host N.H.H.H 128.0.0.0 to 191.255.255.255 B Host Network 10 N.N.H.H 192.0.0.0 to 223.255.255.255 C N.N.N.H 224.0.0.0 to 239.255.255.255 D multicast address 1110 240.0.0.0 to 247.255.255.255 E experimentation 11110 32 bits

42. Multicast Routing Protocols