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O Nível de Rede

O Nível de Rede. Obtém pacotes na origem e faz chegar ao destino final. Realiza saltos em pontos intermediários (roteadores). Contrasta com o nível de enlace que apenas faz os quadros chegarem de uma máquina a outra adjacente.  Objetivos: Serviços independentes da tecnologia da sub-rede;

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O Nível de Rede

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Presentation Transcript

  1. O Nível de Rede • Obtém pacotes na origem e faz chegar ao destino final. Realiza saltos em pontos intermediários (roteadores). Contrasta com o nível de enlace que apenas faz os quadros chegarem de uma máquina a outra adjacente.  • Objetivos: • Serviços independentes da tecnologia da sub-rede; • Poupar o Nível de Transporte dos detalhes das topologias, do número e tipo de sub-redes presentes; • Endereçamento disponível ao Nível de Transporte deve ter um plano uniforme através das LANs e WANs. Nível 3

  2. Comutação de pacotes Store-and-forward Um host com um pacote a enviar, o transmite ao roteador mais próximo que espera o pacote inteiro chegar, confere o checksum e encaminha para o próximo roteador. Assim sucessivamente até chegar ao host de destino. Nível 3

  3. Serviços oferecidos ao Transporte • Sem conexão: deixa ao nível 4 a complexidade – confiabilidade delegada às pontas (abordagem defendida pela comunidade Internet). Pacotes independentes chamados datagramas. • Orientado a conexão: antes do envio de dados estabelece-se a conexão com o par – simplifica o nível 4, pois o nível 3 já apresenta serviço confiável (abordagem defendida pelas companhias telefônicas). • No protocolo IP (Internet Protocol) o serviço de Rede é sem conexão – alivia os roteadores; a medida que as garantias de qualidade de serviço tornam-se importantes, a Internet evolui, adquirindo propriedades associadas ao serviço com conexão. Nível 3

  4. Sem conexão Pacotes injetados individualmente na rede independentes uns dos outros. Decisão de rota a cada pacote (Rede de datagramas). Ex: Uma msg longa enviada de H1 a H2 foi quebrada em 4 partes. No envio da msg 4, havia alteração na tabela de rotas de A. Nível 3

  5. Com conexão • Decisão de rota tomada no estabelecimento do circuito. Sub-rede de circuito virtual (cv). • Ex: H1 conecta-se com H2 (cv=1) e a seguir H3 quer conectar-se a H2: A atribui outro identificador para a segunda conexão (cv=2). Operação chamada troca de rótulos. Ex. de protocolo assim: MPLS (MultiProtocolLabelSwitching) insere um cabeçalho com rótulo no pacote IP. Nível 3

  6. Algoritmos de Roteamento Um roteador tem 2 processos em seu interior: Processo 1: Encaminhamento - trata pacote que chega, procura linha de saída consultando tabelas. Processo 2: Algoritmo de roteamento – Preenche e atualiza as tabelas de rotas. Nível 3

  7. Classes de Algoritmos • Não adaptativos – Estáticos A decisão do roteamento não se baseia em tráfego e topologia correntes. A rota é previamente determinada, off-line e carregada nos roteadores na inicialização da rede. (Útil quando a escolha é óbvia). • Adaptativos – Dinâmicos As decisões refletem alterações na topologia ou tráfego. Obtêm informações da rede e tomam a decisão baseado em alguma métrica – distância, número de saltos, tempo estimado de trânsito. Nível 3

  8. Algoritmos estáticos • Shortest Path Routing (O caminho mais curto): considera a rede como um grafo e computa o menor caminho entre 2 nós - utilizar alguma métrica para rotular o caminho, (distância geográfica=>atraso, custo da comunicação, largura de banda...) • Flooding (Inundação): pacotes de entrada encaminhados em todas as linhas de saída. Busca todos os caminhos em paralelo. Para aplicações especiais - ignorando o overhead do flood, é o algoritmo que tem o menor delay. Manter algum controle para evitar repetições infinitas. Nível 3

  9. Roteamento de Estado de Enlace(Link State Routing) Algoritmo empregado no OSPF (Open Shortest Path First). O roteamento é dividido em 5 partes: • Descobrir seus vizinhos e aprender seus endereços de rede; • Medir o retardo ou custo até cada vizinho; • Criar um pacote que informe tudo o que acabou de aprender; • Enviar esse pacote a todos os outros roteadores; • Calcular o caminho mais curto até cada um dos outros roteadores. Nível 3

  10. Roteamento em redes Ad Hoc (1) Problema maior que roteamento para hosts móveis: Hosts e roteadores são móveis! • MANETs (Mobile Ad hoc Networks). • Alg de roteamento: AODV (Ad hocOn-demandDistanceVector) considera limitadas largura de banda e bateria. • Cada nó precisa manter uma tabela de vetor de distância classificada por destino com o vizinho a enviar pacotes para alcançar o destino. • Quando um nó quer alcançar outro, neste momento vai descobrir a rota (on-demand). Emite um pacote ROUTE REQUEST (flooding); Nível 3

  11. Roteamento em redes Ad Hoc (2) • A quer transmitir um pacote para o nóI, emite um pacote ROUTE REQUEST alcançado por B e D; • B e D retransmitem, alcançando C, F e G. Os pacotes tem número de sequencia para manter o controle de cópias. (D recebeu de A e B e não faz flood 2 vezes); • EeH recebem e inundam (I recebe 2 vezes de G e H); • Quando Irecebe, responde (ROUTE REPLY) que segue pelo caminho inverso. Cada nó deve lembrar quem enviou a solicitação. As setas indicama rota inversa armazenada. Nível 3

  12. Manutenção de rotas Periodicamente, cada nó transmite por broadcast uma msg Hello que os vizinhos respondem. Se não houver resposta, o nó elimina a entrada correspondente da tabela. Se G sair do ar, D elimina as entradas para G e I; D notifica A que elimina sua entrada para I. Vizinhos ativos contam para vizinhos ativos recursivamente até que todas as rotas dos nós que dependem do que saiu sejam eliminadas de todas as tabelas de rotas. Nível 3

  13. Congestionamento Congestionamento: Quantidade de pacotes presente na sub-rede é tão grande que a sub-rede não consegue entregar todos => a fila explode => pacotes são descartados => pacotes devem ser retransmitidos => o desempenho é degradado. É uma questão global, diferente do controle de fluxo que é uma questão entre transmissor e receptor. Estratégias empregadas: • o nível de transporte deve reduzir a carga e/ou; • usar técnicas para evitar congestionamento; • usar técnicas para lidar com congestionamento qdo ocorre. Nível 3

  14. Colapso Throughput (Vazão): Velocidade média da transferência, incluindo overhead dos protocolos e pacotes retransmitidos por erros ou conflitos; Goodput: taxa com que pacotes úteis são entregues pela rede; pode ser medido como tamanho dos dados transmitidos pelo tempo que leva para transmitir (throughput a nível de aplicação). Nível 3

  15. Soluções para congestionamento Em diferentes escalas de tempo: Ajustar as rotas de acordo com padrões de tráfego: causam oscilação nas tabelas de rotas (não é normalmente utilizado). Idéia: dividir o tráfego por vários caminhos. Diminuir a carga: recusa novos acessos Escala de meses: Aumentar recursos Escolher que pacotes descartar. Na iminência do congestionamento (monitorar parâmetros), a rede solicita que as fontes atrasem ou a rede atrasa o tráfego. Nível 3

  16. Controle de Tráfego Ao monitorar, por exemplo, o atraso de fila, pode-se determinar a proximidade de congestionamento. O esquema mais usado na Internet é marcar um pacote para sinalizar esta situação. O destino do pacote, quando enviar uma resposta (no nível TCP), informa o transmissor para que ele reduza suas transmissões. Notificação Explícita de Congestionamento – ECN (Explicit Congestion Notification) – bit do cabeçalho IP. Nível 3

  17. Corte de Carga Que pacotes descartar? • Depende do tipo de aplicação usando a rede: as aplicações deveriam marcar a importância dos pacotes. Ex: Transferência de arquivo prefere manter pacotes antigos; mídia em tempo real prefere pacotes novos... • Hosts percebem sempre perda de pacotes, e nem sempre recebem ECN (ou não recebem em tempo): O roteador pode tomar a iniciativa de descartar aleatoriamente uma pequena fração de pacotes antes do buffer encher. Os transmissores mais rápidos receberão mais rapidamente a informação, sem envio de um sinal explícito: Detecção Aleatória Prematura - RED (Random Early Detection). Nível 3

  18. Qualidade de Serviço Algumas aplicações exigem throughput mínimo e uma latência máxima => oferecer Qualidade para os Serviços. Fluxo: Sequência de pacotes de uma origem a um destino. Necessidades de cada fluxo: • Largura de Banda (Throughput); • Atraso (Delay); • Flutuação (Jitter): algumas aplicações são sensíveis a pacotes com intervalos irregulares de chegada; • Perda (Drop): uma certa porcentagem de pacotes descartados pode ser admitida em certas aplicações. Nível 3

  19. Rigidez de Requisitos Aplicações podem tentar ocultar os problemas da rede; ex: para problema de flutuação, manter um buffer. Onde está médio, entenda: pode irritar, mas não inviabiliza o serviço Nível 3

  20. Conectar redes - 1 • Camada comum acima que oculta as diferenças das redes; foi separada nos protocolos TCP e IP de Cerf e Kahn : Turing Award (2004) – Nobel de Computação. • Uma Rede com 3 tipos de rede: WiFi, MPLS (MultiProtocolLabelSwitching) e Ethernet; • Processamento dos protocolos => necessidade de fragmentação :WiFi/Eth Nível 3

  21. Conectar redes - 2 • Bridges poderiam fazer esta tradução de um tipo de LAN para outra, mas as diferenças são tantas que não é mais comum utilizá-las para isto. • Hoje, bridges conectam LANs iguais, e roteadores conectam LANs diferentes: Problemas difíceis de contornar como tamanho de pacotes diferentes, já tem um esquema de fragmentação na camada de rede que pode ser usado. • O roteador tem habilidade também para lidar com vários protocolos de rede (IPx, AppleTalk), porém hoje são mais relevantes IPv4 e IPv6 que não são compatíveis. • Traduzir pacotes IPv4 para IPv6 e vice-versa pode ser difícil (128 bits para 32 bits de endereço), então... Nível 3

  22. Tunelamento Se a rede de origem é do mesmo tipo da rede de destino, mas há uma rede diferente entre elas, encapsular os dados das pontas dentro de pacotes transportados pela rede intermediária. Nível 3

  23. Fragmentação Cada rede impõe um tamanho máximo a seus pacotes: Ethernet:1.500B; WiFi: 2.272B; IP: 65.515B • Pacote original contendo 10 bytes de dados • Fragmentos após passarem por uma rede que admite 8 bytes de dados • Fragmentos após passarem por uma rede que admite 5 bytes de dados Nível 3

  24. A Camada de Rede da Internet Internet: coleção interconectada de muitas redes IP (Internet Protocol) a camada de rede da Internet Nível 3

  25. O cabeçalho IPv4 - 1 Version: versão do protocolo sendo usado; atualmente há transição entre IPv4 e IPv6; IHL: Header Lenght – quantas palavras de 32 bits há no cabeçalho, pois este não tem tamanho constante; a parte fixa tem 20 bytes. Serviços Diferenciados: 6 bits – Classe de Serviço; 2 bits - Notificação de congestionamento (ECN); Nível 3

  26. O cabeçalho IPv4 - 2 Tamanho Total: Inclui cabeçalho e dados. Até 64Kbytes (Em redes Ethernet o máximo é 1500 bytes. Identificação: Número identificando a qual pacote este fragmento pertence. DF : D´ont fragment: para descoberta da MTU; Nível 3

  27. O cabeçalho IPv4 - 3 MF : More Fragments – para informar que seguem mais fragmentos – o último fragmento tem este bit desligado; Deslocamento de fragmento: onde este fragmento se encaixa no pacote corrente; Múltiplos de 8 bytes. Time to Live: Iniciado com 255, é decrementado a cada hop; quando atinge zero o fragmento é descartado. Evita vida indefinida para um pacote; Nível 3

  28. O cabeçalho IPv4 - 4 Protocol: Que protocolo de transporte é usado (TCP/UDP); Header checksum: Deve ser recomputado em cada roteador, pois no mínimo mudou o campo time to live; Source Address e Destination Address Options:Permite incluir informação não presente no projeto original. Nível 3

  29. Classes de endereços IP Definidas inicialmente na Internet (antes de 1993) e não mais utilizadas: • Classe A – 126 redes com 16 milhões de hosts cada; • Classe B – 16.382 redes (214) com 64k (216) hosts cada; • Classe C – 2 milhões de redes (221) com 254 hosts cada. • Classe D – Endereços multicast – para encaminhar um datagrama a múltiplos hosts. Nível 3

  30. Máscaras de Rede O tamanho do prefixo corresponde a uma máscara de sub-rede, com 1s na parte destinada a rede. Os prefixos são manipulados pelos roteadores que não precisam conter todos os endereços alcançáveis, mas apenas todas as redes alcançáveis. Nível 3

  31. Subdivisão de Redes • É possível subdividir a rede para uso interno, para melhor organização e aproveitamento do espaço de endereçamento: • Suponha uma universidade dona do espaço: 128.208.0.0/16; deixou metade dos endereços para a CC, ¼ dos endereços para a EE e 1/8 dos endereços para Artes; esta subdivisão não precisa ser conhecida externamente. EE: 1000 0000 1101 0000 00xx.... CC: 1000 0000 1101 0000 1xxx.... Artes: 1000 0000 1101 0000 011x... Nível 3

  32. CIDR:Classless InterDomain Routing Para diminuir o tamanho das tabelas de rotas combinam-se pequenos prefixos em um único prefixo maior (agregação de rota). O maior prefixo é a super-rede. Exemplo: A partir de 194.24.0.0 há 8192 (=213) ends em um bloco disponível. Cambridge solicitou 2048 (=211) endereços; Oxford solicitou 4096 (=212) endereços; Edinburgh solicitou 1024 (=210) endereços. O maior prefixo neste caso é 194.24.0.0/19 que contém o bloco todo incluindo a porção disponível. Nível 3

  33. Agregação de prefixos IP Cada faixa atribuída deve ser conhecida pelos roteadores? Não necessariamente: o roteador de Londres que conhece as 3 redes, agrega os 3 prefixos em um: 194.24.0.0/19, que é passado para Nova York. NY reduziu 3 entradas para uma. Nível 3

  34. Maior prefixo combinado Se São Francisco solicitou 1024 endereços e foi alocado o bloco que ainda estava disponível dentro de 194.24.0.0 (194.24.12.0/22), os pacotes devem ser enviados na direção da rota mais específica, ou do maior prefixo combinado. Tente o casamento com o maior prefixo primeiro. (Há algoritmos sofisticados para encontrar a saída) Nível 3

  35. NAT – Network AddressTranslation Técnica contra esgotamento de endereços IP: • Atribuir a cada empresa um único endereço IP válido; internamente utilizam-se IPs privativos. Na saída do pacote ocorre conversão para o IP válido. • Intervalos privativos: (Classe A) 10.0.0.0 , (Classe B)172.16.0.0 e (Classe C) 192.168.0.0 Problema: quando o pacote volta endereçado ao IP válido, como saber para quem devolver a resposta? Manipular porta de origem. Nível 3

  36. Nível Transporte • Fornece aos níveis superiores serviço eficiente e confiável entre máquina de origem e destino, independente das redes utilizadas. Torna camadas superiores imunes à tecnologia e imperfeições da sub-rede. • Questões típicas: • Como controlar várias sessões transferindo dados? É possível várias conexões de transporte em uma de rede? E uma conexão de transporte com várias conexões de rede? • Como retomar uma sessão interrompida? • Que ação tomar em caso de congestionamento? Nível Transporte

  37. Porque distingui-lo do N3? • O nível 3 está presente nos roteadores. E se o roteador travar? E se o nível 3 perder pacotes? • É possível que o nível 4 solicite nova conexão de rede com a entidade remota. Pergunta ao remoto onde parou e retoma do ponto interrompido. • A questão é a qualidade de serviço. • As aplicações utilizam um conjunto padrão de primitivas que funcionam em várias redes. Nível Transporte

  38. Tipos de Serviço Similar ao nível de rede, oferece 2 tipos de serviço: • Orientado a conexão: Estabelece conexão, transfere dados, libera conexão. • Sem conexão: Envia pacotes independentes. • Segmento é o termo empregado para designar as mensagens trocadas entre entidades de transporte. Nível Transporte

  39. Endereço de Transporte • É preciso que uma aplicação em uma máquina faça referência à aplicação com a qual deseja se comunicar em outra máquina. • No TCP/IP o endereço de transporte é a porta, e o endereço de rede é o endereço IP. • Como um processo sabe que porta está associada a que serviço? Os endereços estáveis já são conhecidos. IANA – Internet AssignedNumbersAuthority controla recursos dos protocolos. • Vide /etc/services ou http://www.iana.org/assignments/service-names-port-numbers/service-names-port-numbers.xml Nível Transporte

  40. IANA – Internet AssignedNumbersAuthority O texto abaixo foi adaptado de www.iana.org “ Theportnumbers are dividedintothree ranges: • System Ports (WellKnown):from 0 through 1023. • UserPorts (Registered ): from 1024 through 49151 • Dynamicand/orPrivatePorts: from 49152 through 65535. The difference uses of these ranges is described in RFC6335 TheSystem Portsare assignedbythe IETF process for standards-trackprotocols (andonmost systems canonlybeusedby system (orroot) processes ). TheUserPortsare assignedby IANA usingthe “ExpertReview” process . DynamicPortsare notassigned. ” Nível Transporte

  41. Estabelecendo conexão no N4 (1) Que tal: CR para pedir e ACK para aceitar? Problema: a rede pode perder, atrasar, corromper ou duplicar pacotes (retransmissões). Os casos comuns devem ser implementados para obter um bom desempenho, mas o protocolo deve lidar com os casos incomuns também. Handshake de 3 vias em cenário normal Nível Transporte

  42. Estabelecendo conexão no N4 (2) Seq=x Antigo CR aparece duplicado Seq=z, Ack=x CR e ACK duplicados Seq=x Seq=z, Ack=x Host 1 percebe que é duplicata: Segundo ACK x Seq=x, Ack=z Host 2 percebe que é duplicata: ACK z novamente 42 Nível Transporte

  43. Encerrando conexão no N4 (1) Encerramento abrupto com perda de dados Caso normal com Handshake de 3 vias 43 Nível Transporte

  44. Encerrando conexão no N4 (2) ACK final perdido Resposta e DR seguintes perdidos Resposta perdida 44 Nível Transporte

  45. Controle de Congestionamento (a) Goodput x carga (b) Atraso correspondente Embora congestionamento ocorra nos roteadores, portanto detectado pela camada de rede, é causado pelo tráfego enviado para a rede pela camada de transporte e portanto é responsabilidade conjunta destas camadas. 45 Nível Transporte

  46. Controle de Congestionamento Onde trabalhar no transporte: Encontrar uma boa alocação de banda que ofereça bom desempenho, evite congestionamento, seja justa entre entidades concorrentes; Regular a velocidade do fluxo; Considerar a diferença das Redes sem Fio - embora na teoria camada de transporte seja independente da camada de enlace, na prática é preciso considerar as diferenças com e sem fio. 46 Nível Transporte

  47. Uma boa alocação:Imparcialidade max-min (Fairness) A alocação é imparcial max-min se a largura de banda dada a um fluxo não puder ser aumentada sem diminuir a largura de banda dada a outro fluxo. Rede com 4 fluxos: A,B,C,D. Cada enlace tem capacidade =. B recebe 1/3 entre R4 e R5 e continua com 1/3 entre R2 e R3 (1/2 não resolveria o gargalo). Para dar mais para B, deveria reduzir C ou D (ou ambos). Problema: Necessário conhecimento global da rede. 47 Nível Transporte

  48. Uma boa alocação: Convergência Conexões vem e vão: convergir para o ponto de operação ideal e acompanhar ao longo do tempo. Ex: No início o Fluxo 1 tem toda largura de banda. Em t=1 divide a banda na metade com Fluxo 2. Em t=4 o Fluxo 3 precisa apenas de 0,2 e os fluxos 1 e 2 ficam com 0,4 cada. Quando o Fluxo 2 termina, o Fluxo 1 abocanha 0,8. 48 Nível Transporte

  49. Regulando a velocidade do fluxo (a) O limite é o receptor de pequena capacidade; (b) O limite é a rede interna. Controle de fluxo ajuda no controle de congestionamento 49 Nível Transporte

  50. Regulando: Feedback Diferentes protocolos de controle de congestionamento podem dar retorno sobre as condições da transmissão de forma explícita ou implícita – precisa ou imprecisa: TCP 50 Nível Transporte

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