8. Forgalomir

1
8. Forgalomirányítás

• Dr. Bilicki Vilmos
• Szoftverfejlesztés Tanszék

2
Tartalom

• Forgalomirányító algoritmusok
• Statikus forgalomirányítás
• Dinamikus forgalomirányítás
• Távolságvektor alapú
• Link állapot alapú
• Internet struktúra
• Forgalomirányítók, Kliensek
• Autonóm rendszerek (AS)
• Forgalomirányító algoritmus osztályok
• Tartományon Belüli Forgalomirányítás
• RIP, IGRP, EIGRP ,IS-IS, OSPF
• Tartományközi forgalomirányítás
• BGP
• RIPv1
• RIPv2

3
Útvonal információk

• Statikus
• Manuális lassú változás
• Nem robosztus független az aktuális állapottól
• Stabil
• Dinamikus
• Forgalomirányító protokollok segítségével tanulja
  meg az útvonalakat
• A topológia változásokra azonnal reagál
• Nem biztos, hogy konvergál, oszcillál
• Hurkot okozhat

4
Statikus forgalomirányítás

• A rendszergazda manuálisan írja be a
  forgalomirányító tábla bejegyzéseit
• A forgalom teljesen kézbentartható
• Pl. más-más útvonal használata a két irányban,
• A rendszer átlátható
• Minden változás manuális beavatkozást igényel
• Muködoképes hálózathoz
• Minden forgalomirányítóba fel kell venni az
  összes a hálózaton eloforduló címtartományt és
  irányt
• Használhatunk összesítés útvonalakat
• A forgalomirányítóra közvetlenül csatlakozott
  hálózatokat nem kell felvenni
• A statikus útvonalakhoz is adhatunk költséget
  (CISCO)
• Terhelés elosztás
• Forgalom elosztás
• Azonos mértéku
• Költség szerinti
• Kapcsolt egység
• Cél szerint (fast switching)
• Csomagonként (process switching)
• Tartalék útvonal

5
Rekurzív tábla keresés

• Nem feltétlenül mutat minden bejegyzés a szomszéd
  forgalomirányítóra
• Ez esetben a keresés addig folytatódik míg nem
  talál egy olyan címet amely a szomszéd
  forgalomirányítóra mutat (megvan a kimeno
  interfész)
• A többszörös keresés idoigényes
• Csak indokolt esetekben érdemes ezt használni
  (pl. változás elott)

6
Mikor érdemes statikus útvonalat használni?

• Amikor vég hálózatunk van.
• Nincs alternatív útvonal.
• Igény szerinti forgalomirányítás (On-Demand
  Routing)
• Szabály szerinti forgalomirányítás (Policy based
  routing)

7
Statikus útvonal választás
8
Alapértelmezett út

• Utolsó megoldás átjáró/Gateway of last resort
• Cím aggregálás
• 192.168.200.128/27
• 192.168.200.160/27
• 192.168.200.192/27
• 192.168.200.224/27
• Teljes aggregálás
• 0.0.0.0
• Alapértelmezett cím
• 0.0.0.0/0
• Alapértelmezett hálózat
• Csak osztálymentes muködésnél használható!!!
• Vég hálózat esetén nagyon hasznos (minden erre
  van, 50000 bejegyzés helyett egy)
• Gyujtopont hálózat (Hub and spoke)
• Elemei
• Gyujto forgalomirányító (Hub)
• Csonk forgalomirányítók (Stub)
• Csonk hálózat (Stub network)
• Egyszeru, gyors

Számítógép Hálózatok
8
9
Forgalomirányító protokollok

• Cél
• Az útvonal meghatározása
• Csomagkapcsolt hálózat a forgalomirányító tábla
  karbantartása
• Forgalomirányító tábla
• A csomagok továbbításánál ez alapján dol el a
  kimeno interfész
• Skálázható, adaptív, stabil
• Elemek
• Egy eljárás a saját információ átvitelére a
  többieknek
• Egy eljárás a többiektol beérkezo információ
  kezelésére
• Egy eljárás mely az információhalmaz alapján
  meghatározza az optimális útvonalakat és rögzíti
  ezeket a forgalomirányító táblába
• Egy eljárás mely reagál topológia változásokra

10
Miért nem jó ez a megoldás?

• Minden saját információt átküldünk a szomszédnak
• Kérdések
• Mit csináljon A B és C információival? Küldje-e
  tovább?
• Ha nem akkor az információ csere nem teljes.
• Ha igen akkor hogyan oldjuk meg azt, hogy minden
  információ eljut mindenkihez és a csomagok mégsem
  lesznek végtelen ideig a hálózatba?
• Merre kell a csomagokat küldeni 192.168.4.0 felé?

11
Forgalomirányítás
Cél meghatározza a jó útvonalat (forgalomirányí
tók sorozatát) a forrástól a célig.

• Gráf absztarkciók
• A csomóponotok forgalomirányítók
• Az élek fizikai összeköttetések
• költség késleltetés, ár, torlódás szint,

• jó útvonal
• Tipikusan a legkisebb költségu útvonal
• Más definició is elképzelheto

12
Összeköttetés metrikák

• Ugrás szám
• Egyszeru
• Soros vonal vs. Gigabit?
• Sávszélesség
• Torlódásos Gigabit vs. Üres Fast Ethernet?
• Terhelés
• Útvonal ingadozás
• Késleltetés
• Megbízhatóság
• Ár

13
Konvergencia

• Ha minden rendben van akkor konzisztens
  állapotban van a rendszer
• Mindenki ugyanazt gondolja a hálózatról

14
Dinamikus Forgalomirányító Algoritmusok

• Globális, vagy Link állapot algoritmus
• A topológia teljes ismeretével rendelkezik
  (költségek, linkek,)
• Elosztott vagy távolságvektor alapú algoritmusok
• Csak a kapcsolódó linkek és szomszédok
  információit használja
• Iteratív algoritmus

15
Globális, Link állapot alapú

• Dijkstra legrövidebb útvonal
• Megvalósítás
• Minden csomópont elküldi mindenkinek minden
  kapcsolatát és azok paramétereit

16
Egy link állapot alapú algoritmus

• Dijkstra algoritmusa
• A topológia, link költségek minden csomópontban
  ismertek
• link állapot üzenetszórás segítségével
• Minden csomópontnak azonos információja van
• Egy csomóponttól kiszámítja a legrövidebb
  (olcsóbb) útvonalat minden más csomóponthoz
• Legyártja a forgalomirányító táblát az adott
  csomópontnak
• Iteratív k iteráció után ismerjük a legrövidebb
  utat k-hoz.

17
Link állapot alapú algoritmus kérdések

• Skálázhatóság
• A költség forgalom függo oszcillációhoz vezethet

1
1e
0
2e
0
0
0
0
e
0
1
1e
1
1
e
átszámít
átszámít
átszámít
kezdetben
18
Elosztott, távolságvektor alapú forgalomirányító

• Bellman-Ford algoritmus (Bellman 1957, Ford és
  Fulkerson 1962)
• Minden csomópont csak a vele szomszédos
  csomópottal kommunikál
• Távolságvektorokat csereberélnek
• Kiszámítja a legrövidebb útvonalat
• Ezt addig folytatja míg le nem áll az információ
  csere
• A záró lépésben a csomópontoknak nem kell adnia
• Pletyka alapú forgalomirányítás

19
Távolságvektor alapú forg. ir. áttekintés
Minden csomópont

• Iteratív, aszinkron
• a helyi iterációk oka
• link költség változás
• üzenet a szomszédtól megváltozott egy
  szomszédjához vezeto legrövidebb út
• Elosztott
• a csomópontok csak akkor kommunikálnak, ha a
  legrövidebb útvonaluk valahova megváltozik
• ekkor értesítik a szomszédokat

vár a (link költség megváltozására, vagy egy
üzenetre a szomszédtól) átszámítja a távolság
táblát Amennyiben a legrövidebb útvonal
megváltozott akkor értesíti a szomszédait
20
Távolságvektor alapú forg. ir.

• iteratív
• addig folytatódik amíg egy csomópont sem cserél
  információt
• Ön-befejezo nincs stop jel
• aszinkron
• A csomópontoknak nem kell információt cserélnie a
  záró lépésben
• elosztott
• Az egyes elemek csak a szomszédaikkal
  kommunikálnak

• Távolság Tábla struktúra
• Minden csomópont tartalmazza a saját sorát minden
  lehetséges célhoz, az oszlopokban a szomszédok
  szerepelnek
• példa az X csomópont , az Y célt a Z
  szomszédon keresztül éri el

21
Távolság tábla példa
22
Távolság tábla példa
hurok!
hurok!
23
A távolság táblából származik a forgalomirányító
tábla
Kimeno interfész, ár
A B C D
A,1 D,5 D,4 D,4
cél
Forg. ir. tábla
Távolság tábla
24
Távolság vektor problémák

• Robosztusság
• egy csomópont helytelen útvonal költséget
  hirdethet
• egymás tábláját használják
• a hiba terjed a hálózaton
• Hurkokat tartalmazhat
• Konvergencia ido
• Végtelenig számlálás problémája

25
Végtelenig számlálás problémája

• Az ugrás számot használjuk költségnek
• A B-n keresztül éri el D-t 3 költséggel
• B C-n keresztül éri el D-t 2 költséggel
• C eléri D-t 1 költséggel

D
A/3
B/2
C/1
26
Végtelenig számlálás problémája

• A C és D közötti vonal megszakad
• C átáll B-re,
• Megnöveli a költségét B költség 1 3

D
A/3
B/2
C/3
27
Végtelenig számlálás problémája

• B költsége most 4
• A még nem vett észre semmit sem
• A és C költsége 5
• B költsége 6
• A ciklus a végtelenig tart

A/3
B/4
C/3
D
D
A/5
B/4
C/5
28
Forgalomirányító hurkok

• Az A hálózatban a D felé tartó csomagok
• A B forgalomirányítóba mennek
• Ezután a C forgalomirányító mennek
• Ezután ismét a B-be mennek

D
A
B
C
29
Forgalomirányítás az Interneten

• Eddig
• Minden forgalomirányító egyenrangú volt
• A hálózat lapos volt
• a valóságban ez nincs így

• méret 50 millió céllal
• Nem lehet minden célt a forg. ir. táblába kezelni
• A forg. ir. tábla csere eldugítaná a vonalakat

• Adminisztratív autónómia
• Internet hálózatok hálózata
• Minden hálózati rendszergazda a saját hálózatáért
  felelos

30
Internet struktúra

• Több ezer szervezet
• Rengeteg forgalomirányító
• Még több kliens

MCI
AT T
LINX Europe
CW
Microsoft
Company in France
Umass
31
Forgalomirányító protkollok

• Autonóm Rendszereket kezelnek
• Az adminisztratív tartomány szerint
• Internet Szolgáltatók (ISP)
• Vállalati hálózatok
• Egyetemi hálózatok
• Két forgalomirányító protokoll típus
• Tartományon Belüli Forgalomirányító Protokoll
  (Inetrior Gateway Protocol - IGP)
• Egy tartományon belül
• Tartományközi Forgalomirányító Protokoll
  (Exterior Gateway Protocol - EGP)
• Különbözo tartományok között

32
Tartományon Belüli Forgalomirányító Protokoll

• Cél
• Találjon egy jó útvonalat (forgalomirányítók
  sorozatát) a hálózaton keresztül a forrástól a
  célig
• Késleltetés, csomagvesztés, sávszélesség, ár vagy
  más definíció
• Statikus forgalomirányítás
• Népszeru dinamikus protokollok
• RIP Routing Information Protocol
• IS-IS Intermediate-System-to-Intermediate System
• OSPF Open Shortest Path First
• IGRP Interior Gateway Routing Protocol (Cisco)
• EIGRP Enhanced Interior Gateway Routing Protocol
  (Cisco)

33
Tartományon belüli forgalomirányítás

• Routing Information Protocol (RIP)
• Távolságvektor alapú
• EIGRP
• Hibrid
• Open Shortest Path First (OSPF)
• Link állapot alapú
• IS-IS
• Link állapot alapú

34
Tartományközi protkollok

• EGP használtak NSFNET-ben
• Border Gateway Protocol (BGP)
• BGP-4 de-facto szabványnak tekintheto
• Út vektor algoritmus

35
Forgalomirányító Protokoll Kérdések

• Stabilitás
• Szabály
• Torlódás
• Protokoll Tervezés
• Keep Alive üzenetek
• Inkrementális frissítések
• Frissítés idozítok
• Konvergencia ido
• Megbízhatóság, Robosztusság
• Alternatív, vagy tartalék útvonal
• Torlódás
• Emberi hiba

36
Egyéb kérdések

• Biztonság
• Skálázhatóság
• Hierarchia
• Forgalom Tervezés
• Terhelés elosztás
• Qos
• ?

37
RIP

• Távolság vektor alapú algoritmus
• Eloször BSD-UNIX-ban jelent meg 1982-ben
• Távolság mérték
• az ugrások száma (max. 15 ugrás)
• Távolság vektorok
• a szomszédok között cserélodnek 30
  másodpercenként a válasz üzenetekben (hirdetésnek
  is nevezik)
• Minden hirdetés
• max. 25 célt hirdet a hálózaton az AS-en belül
• Verziók
• RIP v1 (RFC 1058)
• RIP v2 (RFC 2453)

38
RIP --- Példa
z
w
x
y
A
D
B
C
Cél Hálózat Köv. Forg. Ir.
Ugrásszám w A 2 y B 2
z B 7 x -- 1 . . ....
D forgalomirányító táblája
39
RIP --- Példa
A hirdetése D felé
Cél Köv. Ugrás z C 4
Cél Hálózat Köv. Forg. Ir.
Ugrásszám w A 2 y B 2 z B A 7
5 x -- 1 . . ....
D forgalomirányító táblája
40
RIP --- Problémák

• Robosztusság
• Egy csomópont rossz költséget hirdethet
• Egymás tábláját használják
• A hiba terjed a hálózaton
• Lassú konvergencia
• Végtelenig számlálás problémája
• A hálózat egy része leválik
• Hurkok keletkeznek

41
RIP --- Megoldások

• A végtelen legyen egy véges szám
• RIP esetében ez 16
• Osztott Horizont (Split horizon)
• Ne hirdessünk egy olyan útvonalat az adott
  szomszéd felé amit onnan tanultunk meg
• Részben megoldja a hurkokat
• Osztott Horizont mérgezett utakkal (Split horizon
  with poisoning updates)
• A hallott útvonalakat visszafelé végtelen
  távolsággal hirdetjük
• Indukált frissítések (triggered update)
• A gyorsabb konvergencia érdekében a változáskor
  azonnal frissítést küld
• Frissítés elárasztást okozhat
• Gyors frissítések
• Amikor egy forgalomirányító indul akkor szól a
  többieknek akik azonnal elküldik állapotukat

42
Osztott Horizont

• B nem hirdet D felé menü útvonalakat C felé
• Amikor a C-D vonal kiesik
• C nem áll át B-re
• Elkerülik a végtelenig számlálás problémáját

D
A/3
B/2
C/1
43
Osztott Horizont --- nem biztos, hogy segít

• Nem iktatja ki a hurkokat minden esetben
• A C és D közötti vonal kiesik

A

• A és B nem küldi el a jelenlegi útvonált D felé
  C-nek
• De A megtanulja, hogy B eléri D-t, így küld egy
  új útvonalat C-nek
• C az A-tól megtanult útvonalat elküldi B-nek
• B a C-tol megtanult útvonalat elküldi A-nak
• A a B-tol megtanult útvonalat elküldi C-nek
• Hurok keletkezett

C
B
D
44
RIP idozítok, számlálók

• RFC
• Frissítés 30s (aszinkron)
• Lejárati ido 180s
• Szemét gyujtés 120s
• CISCO
• Frissítés 30s (aszinkron)
• Érvénytelen 180s
• Tartás (HoldDown) 120s
• Törlés 240s

45
RIP részletek

• UDP 520-as port
• Típusai
• RIPv1
• üzenetszórás
• osztályokat figyelembe vevo(nincs netmask!!!,
  határ router)
• RIPv2
• többesküldés
• osztálymentes
• azonosítás
• Csendes állomás

46
RIP hátrányai

• 15 méretu világ
• 25 prefix/üzenet
• Nagy hálózatokban gyakori változás esetén komoly
  sávszélesség igénye lehet
• Lassú konvergencia (akár 7.5 perc!!!)

47
Miért érdemes RIP-et választani?

• Egyszeru implementálni
• Sok implementáció
• Jól ismert, egyszeru protokoll
• Kicsi hálózatban kicsi eroforrás igény

48
Forgalomirányító tervezési szempontok

• Gerinc forgalomirányító
• Megbízhatóság
• Sebesség/Teljesítmény
• Vállalati forgalomirányító
• Alacsony portonkénti ár
• Sok port
• Könnyu konfigurálhatóság
• Hozzáférést biztosító forgalomirányító
• Otthoni/kicsi vállalat
• Olcsó
• Modem gyujtmény

Gerinc
Hozzáférési
Vállalati
49
Forgalomirányító feladatok

• Forgalomirányító tábla karbantartás
• Csomag továbbítás
• Csomag ellenorzés (verziós, hossz, ellenorzo
  összeg)
• Cél cím keresés
• Csomag TTL kezelés
• Ellenorzo összeg újraszámítás

50
Forgalomirányító komponensek
Route Processing
Route updates
Topology address exchange with neighboring nodes
Topology address exchange with neighboring nodes
Forgalomirányító tábla
Destination address lookup
Packet Forwarding
Bejövo csomagok
Kimeno csomagok
Adat
Adat
51
Forgalomirányító komponensek

• Kapcsoló egység
• Interfész kártyák
• Forgalomirányító egységek
• Továbbító egységek

52
Kapcsoló egység

• Osztott memória
• A memória hozzáférés határozza meg a maximális
  sebességet
• Busz
• A busz kapacitása a szuk keresztmetszet
• Tér osztás (crossbar)
• Az idozíto a szuk keresztmetszet

53
Problémák a busszal

• Az adat kétszer halad át rajta
• A csomag feldolgozás a és a menedzsment is a
  központban történik
• A teljesítmény a busztól és a központi
  processzortól függ

54
Osztott memória

• Az interfészek és a központi egység egy közös
  osztott memórián át kommunikálnak
• A memória hozzáférési sebessége korlátozza a
  megoldás használhatóságát
• Interfész szám függo

55
Elosztott feldolgozás

• A csomagok feldolgozása az interfészeken történik
  
• ASIC
• Proci
• A Buszt/Memóriát csak egyszer használják
• Elosztott útvonal gyorstár
• A gyakran eloforduló címek vannak benne
• A forgalom típusától erosen függ a
  használhatósága (gerinc/vállalati)
• A gyorstár növelésével javítható ez a probléma

56
Útvonal gyorstár
Route Processor
Memory
Cache updates
Bus
DMA
DMA
DMA
Line Card
Line Card
Line Card
Route Cache
Route Cache
Route Cache
Memory
Memory
Memory
MAC
MAC
MAC
56
57
Kapcsolt háló alapú megoldás

• Az interfészek feladata
• Csomag feldolgozás
• Következo ugrás keresés
• Gyakran csomag darabolás
• Csomag összeillesztés
• A kapcsolatot egy teljes kapcsolt háló adja
• Központ
• Különleges esetek kezelése
• Forgalomirányító tábla kezelése
• Kapcsolás
• Gyors útvonal
• Lassú útvonal

58
Kapcsolt háló
59
Bejövo/Kimeno várakozási sor

• Bejövo várakozási sor
• A vonali sebesség gt kapcsoló egység sebesség
• Típusa
• FIFO (HOB probléma)
• VOQ (Virtual Output Queueing)
• QOS?
• Kimeno várakozási sor
• A vonali sebesség lt kapcsoló egység sebesség
• Gyorsabbnak kell lennie mint a kapcsoló egységnek

60
Memória techológia (2003-04)
Technológia Egy IC /IC (/MByte) Sebesség Watts/chip
Networking DRAM 64 MB 30-50 (0.50-0.75) 40-80ns 0.5-2W
SRAM 4 MB 20-30 (5-8) 4-8ns 1-3W
TCAM 1 MB 200-250 (200-250) 4-8ns 15-30W
Számítógép Hálózatok
60
61
Keresési sebesség
Év Vonali sebeség csomag/sec (40Byte packet)
1997 622Mb/s 1.94M
1999 2.5Gb/s 7.81M
2001 10Gb/s 31.25M
2003 40Gb/s 125M

• A keresési algoritmus
• Egyszerunek kell lennie
• Egyszeruen implementálható

62
Ütemezés

• First Come Fist Served (FCFS)
• Fair Queuing
• R ideális továbbítási arány
• w1, w2 wn a sorok súlyai
• Az ideális szolgáltatás K
• Rwk/?(wi)
• A jól viselkedo források nem vesznek észre csomag
  vesztést
• Garantálja a minimum arányt

63
Leghosszabb egyezés
Pontos egyezés 1 hosszú
Hálózat Cím
Pontos egyezés 2 hosszú
Port
Kiválasztás
Pontos egyezés 32 hosszú
64
Csomag osztályozás

• Több mezo is használ
• Forrás/Cél IP cím (32 bit)
• Forrás/Cél port (16 bit)
• TOS bájt (8 bit)
• Type of protocol (8 bit)
• Más mezok

65
A mai csúcs forgalom irányító

• Carrier Routing System 1
• Hátlap 640 GBs 92 TBps
• 2 Gbyte útvonal memória
• 1 Gbyte csomag memória (Kártyánként)
• 40GBps interfészek (ASIC 40 GBit/s)
• Skálázható megoldás
• 0.5 Tonna
• 13.6 KW
• 500.000 USD