Redes 2-1 Universidad de Valencia Rogelio Montañana Tema 2 El Nivel de Red: Generalidades Rogelio...

Redes 2-1Universidad de Valencia Rogelio Montañana

Tema 2

El Nivel de Red: Generalidades

Rogelio MontañanaDepartamento de Informática

Universidad de [email protected]

http://www.uv.es/~montanan/


Sumario

• Aspectos generales del nivel de red

• Algoritmos de routing

• Control de congestión


La Capa de Red

¿Por donde deboir a w.x.y.z?

Routers


El nivel de Red

• Es la capa por antonomasia, la más importante, la única que ‘ve’ los caminos que forman la red.

• Se constituye con enlaces que interconectan dos tipos de nodos:– Nodos terminales: Hosts– Nodos de tránsito: Routers o Conmutadores

• Normalmente los routers tienen varias interfaces y los hosts una (pero puede haber routers con una sola interfaz y hosts con más de una, que se llaman hosts ‘multihomed’).

• Los routers y las líneas que los unen constituyen la subred, que es gestionada por el proveedor u operador.

• En una comunicación dentro de una LAN el nivel de red es casi inexistente (no hay ‘nodos de tránsito’, todas las comunicaciones son directas).


Puente vs router

Física

MAC

LLC

Red

Física

MAC

LLC

Red

Física

MAC

LLC

Red

Física

MAC

LLC

Red

FísicaFísica

MAC

FísicaFísica

MAC MAC

Trans.

LLC

Red

LLC

Trans.

El puente actúa a nivel de enlace

El router actúa a nivel de

red

Los dos son

útiles, cada uno

en su papel

A B C D

A B C D

AD AD

CDAB AB CD

X Y

XY XY

A, B, C, D son

direcciones MAC.

X e Y son direcciones

de red


Funciones del nivel de Red

• Elegir la ruta óptima de los paquetes– En un servicio CONS: sólo en el momento de establecer el

VC(Virtual Circuit o Virtual Channel)– En un servicio CLNS: para cada datagrama de forma

independiente

• Controlar y evitar la congestión• Controlar que el usuario no abuse del servicio• Resolver (‘mapear’) las direcciones de nivel de red

con las de nivel de enlace (p. ej. en LANs encontrar la dirección MAC que corresponde a una dir. IP).


1.11.3 1.2

2.12.3 2.2

1.1

1.31.2

2.1

2.32.2

B.1B.3 B.2

C.1C.3 C.2

B.1

B.3B.2

C.3

C.2C.1

Red CONS

Red CLNS

VC 1

VC 2

A

A

B

B

C

C

Cada paquete lleva elnúmero del circuito virtual

al que pertenece

Cada datagrama lleva ladirección de destino

El orden se respeta siempre

El orden no siemprese respeta

Todos los paquete quevan por un mismo VC

usan la misma ruta

La ruta se elige deforma independientepara cada datagrama

Servicio CONS vs CLNS


Red CLNS (datagramas)

RED CONS (circuitos virtuales)

Establecimiento

conexión

Innecesario Requerido (permanente o temporal)

Direccionamiento Cada paquete lleva la dirección completa de

origen y destino

Los paquetes solo llevan el número del VC (generalmente

pequeño)

Routing La ruta se elige de forma independiente para cada datagrama

La ruta se elige al establecer el VC; todos los paquetes siguen

esa ruta

Efecto en caso de fallo en un router

Se pierden los paquetes en tránsito solamente

Todos los VC que pasan por ese conmutador se terminan

Información

de estado

Ni los routers ni la subred conservan

ninguna

Cada VC requiere una entrada en las tablas de cada

conmutador por donde pasa

Calidad de servicio Difícil Fácil

Control de congestión Difícil Menos difícil

CONS vs CLNS (II)


Sumario





Redes en estrella y redes malladas

• La topología en estrella es la más simple:– Necesita n-1 enlaces para unir n nodos. – Si falla algún enlace algún nodo queda inaccesible– Solo hay una ruta posible para ir de un nodo a otro

• Las topologías malladas:– Tienen más enlaces que los estrictamente necesarios– Si falla algún enlace es posible que no se pierda

conectividad– Puede haber más de una ruta de un nodo a otro; en estos

casos interesa elegir la mejor (algoritmos de routing)


Algunas topologías típicas

Estrella Anillo Estrella jerárquica, árbol sinbucles o ‘spanning tree’

Malla completa Anillos interconectadosTopología irregular

(malla parcial)


Principio de optimalidad

Si Valencia está en la ruta óptima de Murcia a Barcelona, entonces el camino óptimo de Valencia a Barcelona está incluido en la ruta óptima de Murcia a Barcelona

Corolario: Todas las rutas óptimas para llegar a Barcelona desde cualquier sitio forman un árbol sin bucles (spanning tree) con raíz en Barcelona.


Murcia

Valladolid

Bilbao

Madrid

Valencia

Zaragoza

Sevilla

Barcelona

Badajoz

La Coruña

La red de autopistas españolas

Principio de optimalidad (II)

Árbol de rutas óptimas hacia Barcelona

Barcelona

Bilbao Murcia

Valladolid

Madrid

ValenciaZaragoza

BadajozLa Coruña Sevilla

Los trazos en rojo indican la ruta óptima a seguir en cada caso


Algoritmos de routing• Los algoritmos de routing pueden ser:

– Estáticos: las decisiones se toman en base a información recopilada con anterioridad (horas, días o meses). Normalmente el cálculo de la ruta es costoso y se realiza de forma centralizada. Por eso una vez fijada la ruta raramente se cambia.

– Dinámicos: deciden la ruta óptima en base a información obtenida en tiempo real. Requieren un protocolo de routing para recoger la información. La ruta óptima puede cambiar a menudo.

• En redes malladas se suele utilizar routing dinámico.


Encaminamiento por inundación

• Consiste en enviar cada paquete por todas las interfaces, excepto por la que ha llegado.

• Utilizado en:– Puentes transparentes (tramas broadcast/multicast)– Algunos algoritmos de routing (estado del enlace)– Algunos algoritmos de routing multicast.

• Si hay bucles se envían paquetes duplicados, el tráfico se multiplica y la red se bloquea. Soluciones:– Bloquear interfaces (spanning tree)– Incorporar contador de saltos retrospectivo y descartar

cuando sea cero– Mantener lista de enviados y descartar duplicados


A

G

D E F

CB

A

G

D E F

CB

A

G

D E F

CB

Encaminamiento por inundación: Contador de saltos

Primer salto: 3 paquetes

Segundo salto: 5 paquetes

Tercer salto: 8 paquetes


Encaminamiento dinámico

• Requiere recabar información en tiempo real sobre el estado de los enlaces

• Permite responder a situaciones cambiantes, p. ej.: fallo o saturación de un enlace. Pero sólo si hay mallado (ruta alternativa).

• Dos algoritmos:– Vector distancia o Bellman-Ford– Estado del enlace, Dijkstra o Shortest Path First

• En ambos casos el cálculo de rutas óptimas se realiza entre todos los routers de la red, de forma distribuida.


Algoritmo del vector distancia o de Bellman-Ford

• Cada router conoce:– Su identificador– Sus interfaces– La distancia hasta el siguiente router de cada interfaz

• Cada router construye una tabla (base de datos) de destinos, que le indica por que interfaz debe enviar los paquetes para cada posible destino.

• Para ello intercambia con sus vecinos vectores distancia, que indican la distancia a cada destino


j

k

m

n

Distancia 3

Distancia 2 Distancia 7

Distancia 2

0 5 3 2 19 9 5 22 2 4 7

6 2 0 7 8 5 8 12 11 3 2

5 8 3 2 10 7 4 20 5 0 15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Recibido de j (+3):

Recibido de k (+2):

Recibido de m (+2):

Recibido de n (+7):

Distancia mínima:

Interfaz de salida:

12 3 15 3 12 5 6 18 0 7 15

Destino:

4

9

10

1

3

Ejemplo del algoritmo de vector distancia

2 6 5 0 12 8 6 19 3 2 9

m j m 0 k j k n j k n


Dist. 1A se enciende

Dist. 1

El problema de la cuenta a infinito

C

0 1 0 1 2

- 3 4- 5 4

- 5 6

- 7 6- 7 8- 9 8

. . .

. . .

. . .

A

0 - Distancias hacia A

- 3 2A se apaga

B

-


El problema de la cuenta a infinito (II)

• Las noticias buenas viajan deprisa, las malas despacio.

• Hay diversos ‘trucos’ para evitar el problema de la cuenta a infinito, pero ninguno infalible.

• El vector distancia se utiliza actualmente en diversos protocolos de routing:– Internet: RIP, BGP, IGRP, EIGRP

– También en Appletalk y versiones antiguas de DECNET e IPX


Algoritmo del estado del enlace• Cada router contacta con sus vecinos y mide su distancia a

ellos.• Construye un paquete LSP (Link State Packet) que dice:

– Quién es él– La lista de sus vecinos y sus distancias a ellos

• Envía su LSP por inundación a todos los routers de la red• Recaba los LSPs de todos los demás nodos• Calcula las rutas óptimas por el algoritmo de Dijkstra:

– Se pone él mismo como raíz del árbol, y coloca a sus vecinos– Mira los LSP de sus vecinos y despliega el árbol; cuando aparece

más de un camino hacia un nodo toma el más corto y descarta los demás.

– Las ramas son en principio provisionales. Una rama se confirma cuando es más corta que todas los demás provisionales.


A

B/6

D/2

B

A/6

C/2

E/1

C

B/2

F/2

G/5

D

A/2

E/2

E

B/1

D/2

F/4

F

C/2

E/4

G/1

G

C/5

F/1

Link State Packets

D

A

E F

G

CB

2

4

5

26

1

2 1

2

Algoritmo del estado del enlace (Dijkstra)


C(0)

G(5)B(2) F(2)

Coloca C en el árbol.Examina el LSP de C

G(5)

C(0)

B(2) F(2)

G(3) E(6)Coloca F en el árbol.Examina el LSP de F.Encontrado mejor camino a G

C(0)

B(2) F(2)

G(3) E(6)A(8) E(3)Coloca B en el árbol.Examina el LSP de B.Encontrado mejor camino a EC(0)

B(2) F(2)

G(3)

D(5)

E(3)A(8)

Coloca E en el árbol.Examina el LSP de E.

C(0)

B(2) F(2)

G(3)

D(5)

E(3)A(8)

Coloca G en el árbol.Examina el LSP de G.

E(3)

C(0)

B(2) F(2)

G(3)

D(5)

A(8)

A(7)Coloca D en el árbol.Examina el LSP de D.

E(3)

C(0)

B(2) F(2)

G(3)

D(5)A(7)

Coloca A en el árbol.Examina el LSP de A.No quedan nodos. terminar

Algoritmo de Dijkstra

A

B/6

D/2

B

A/6

C/2

E/1

C

B/2

F/2

G/5

D

A/2

E/2

E

B/1

D/2

F/4

F

C/2

E/4

G/1

G

C/5

F/1


Árbol de rutas óptimas desde C para la red ejemplo

CA

G

D E F

CB6

2

2

2

1

41

2

5B

E

D

A

F

G

Enlaces no utilizados


Algoritmo de estado del enlace

• Los LSPs se transmiten por inundación.• Sólo se envían LSPs cuando hay cambios en la red

(enlaces que aparecen o desaparecen, o bien cambios en la métrica).

• Los LSPs se numeran secuencialmente. Además tienen un tiempo de vida limitado.

• Para evitar bucles solo se reenvían los LSPs con número superior a los ya recibidos y que no están expirados.

• Cada LSP pasa una vez o a lo sumo dos veces (pero no más de dos) por el mismo enlace


Reparto de LSPs de C por inundación

C

C

CA

G

D E F

CB

I

C

C

CC

C

A

G

D E F

CB

II

C

C C

A

G

D E F

CB

III

C

A

G

D E F

CB

IV


Origen Secuen. Edad B F G B F G Datos

A 21 60 0 1 1 1 0 0 B/6, D/2

B 21 60 0 1 1 1 0 0 A/6, C/2, E/1

D 21 60 0 1 1 1 0 0 A/2, E/2

E 20 58 0 1 1 1 0 0 B/1, D/2, F/4

F 21 59 1 0 1 0 1 0 C/2, E/4, G/1

G 21 62 1 0 1 0 1 0 C/5, F/1

C 21 61 1 1 1 0 0 0 B/2, F/2, G/5

FlagsenvíoLSP

FlagsenvíoACK

LSPsD/2

B/6

A

E/1

C/2

A/6

B

G/5

F/2

B/2

C

E/2

A/2

D

F/4

D/2

B/1

E

G/1

E/4

C/2

F

F/1

C/5

GA B D E

GF

Distribución de los LSPs en el router C

A

G

D E F

CB6

2

2

2

1

41

2

5

C

B

E

D

A

F

G

Base de datos de LSPs en C


Routing por estado del enlace

• Con routing por el estado del enlace cada nodo conoce la topología de toda la red (no era así con vector distancia).

• La información sobre la red no se usa para optimizar la distribución de LSPs, sino que estos viajan por inundación haciendo uso de toda la red (si no fuera así no se sabría si las rutas alternativas siguen operativas)

• Generalmente se considera que los algoritmos del estado del enlace son mas fiables y eficientes que los del vector distancia.

• Se utiliza en diversos protocolos de routing:– Internet: OSPF, IS-IS– ATM: PNNI– DECNET– IPX: NLSP


Routing jerárquico• Problema: los algoritmos de routing no son escalables. La

cantidad de información intercambiada aumenta de forma no lineal con el tamaño de la red. Lo mismo ocurre con la complejidad de los cálculos (requerimientos de CPU y memoria).

• Solución: crear regiones (niveles jerárquicos). Solo algunos routers de cada región comunican con el exterior. Las rutas son menos óptimas, pero se reduce la información de routing.

• Parecido a la forma como se organizan las rutas en la red de carreteras (internacionales, nacionales, regionales).


1A

1B

1C

3A 3B

4A

4E4D

4C

4B

2D2C

2B2A

Región 1 Región 2

Región 3

Región 4

Destino Vía Saltos

1A - -

1B 1B 1

1C 1C 1

2A 1B 2

2B 1B 3

2C 1B 3

2D 1B 3

3A 1C 3

3B 1C 2

4A 1C 3

4B 1C 4

4C 1B 4

4D 1C 5

4E 1C 4

Destino Vía Saltos

1A - -

1B 1B 1

1C 1C 1

2 1B 2

3 1C 2

4 1C 3

Routing jerárquico Tabla de vectores para 1A

No jerárquica Jerárquica

En este caso la ruta de la región 1 a

cualquier destino de la región 4 pasa

por la 3


Sumario





Control de congestión• No es posible ocupar una línea (o un router) al

100% ( el tiempo de servicio sería infinito).• Los tiempos de servicio aumentan de forma

dramática cuando la capacidad de una línea o los recursos de un router (CPU o memoria) se aproximan a la saturación.

• Los buffers grandes permiten no descartar paquetes, pero aumentan el retardo. Esto puede causar retransmisiones y generar aún más tráfico.

• Cuando hay congestión severa el rendimiento global disminuye.


Carga

Ren

dim

ien

to

SinCongestión

CongestiónFuerte

CongestiónModerada

Efecto de la ocupación de un enlace en el tiempo de servicio y el rendimiento

SinCongestión

CongestiónFuerte

CongestiónModerada

Tie

mp

o d

e S

ervi

cio

Carga


Control de AdmisiónUsuario: Quiero enviar tráfico de este tipo y quiero esta QoS

Red: ¿puedo soportar Red: ¿puedo soportar esto de forma fiableesto de forma fiablesin perjudicar otrossin perjudicar otros

contratos?contratos?

Red

No, o sí y pactar un contrato de tráfico

Solicitud de QoS garantizada

Si se supera el Control de Admisión (es decir si se admite la petición) la red y el usuario pactan un contrato de tráfico

Host


Como detectar la congestión

• A nivel de red:– Porcentaje de paquetes descartados

– Longitud media de las colas en las interfaces de los routers

• A nivel de transporte:– Retardo medio de los paquetes

– Desviación media del retardo (jitter)

– Porcentaje de paquetes perdidos (suponiendo que no se debe a errores)


Mecanismos para notificar situaciones de congestión

Tipo Mecanismo Ejemplo

Implícito Descarte de paquetes, RED (*)

IP + TCP, ATM

Explícito

Paquetes informativos ad hoc

ATM (celdas RM), Frame Relay

Aviso embebido en paquetes de datos

hacia emisor

Frame Relay (bit BECN)

Aviso embebido en paquetes de datos

hacia receptor

Frame Relay (bit FECN),

ATM (bit campo PTI)

(*) RED: Random Early Discard


Medidas a adoptar ante una situación de congestión

• Reducir o congelar el envío de paquetes en los emisores (los hosts).

• Retener los paquetes en los buffers de los routers intermedios.

• Descartar paquetes. A veces estos llevan alguna indicación de su importancia para el descarte (paquetes de 1ª y 2ª clase).

• Se puede descartar inteligentemente, por ej. si se descarta un fragmento de un paquete descartar también los demás.


Problemas del control de congestión

• Se pueden dar situaciones oscilantes que impidan un aprovechamiento eficiente de los recursos (todos los hosts bajan y suben el ritmo a la vez). Para evitarlo se utiliza la técnica denominada RED (Random Early Discard)

• El uso de notificación explícita ad hoc puede agravar aún más las cosas (generar tráfico extra cuando más problema hay)

• Algunos creen que la lucha contra la congestión por mecanismos sofisticados (explícitos) es una batalla perdida (los remedios llegarán demasiado tarde para ser útiles).


LAN A LAN B

Redes ‘oscilantes’

Enlaces WAN

Una respuesta excesivamente rápida a la congestión puede causar situaciones oscilantes


Perfil de tráfico y vigilancia

• Perfil de tráfico o conformado de tráfico (traffic shaping): condiciones máximas de uso de la red que el usuario se compromete a cumplir con el proveedor del servicio.

• Vigilancia de tráfico (traffic policing): labor de monitorización que el proveedor realiza para asegurarse que el usuario cumple su palabra.

• Si el usuario incumple el proveedor puede:a) Descartar el tráfico no conformeb) Marcarlo como de ‘segunda clase’ y pasarlo a la red, oc) Pasarlo a la red sin mas (no es habitual)


Traffic Shaping y Traffic Policing

Algoritmo del pozal agujereado

• Limitar pico y tamaño de ráfagas

Conformado de Tráfico: Cumplir el contrato

¿El tráfico recibido cumple el contrato?

Si no cumple el policía puede:

•Marcar como 2ª clase (bit CLP) las celdas excedentes, o

•Descartar las celdas excedentes

Vigilancia de Tráfico: Vigilar y obligar su cumplimiento

Datos reales

Host

Datos Conformados

Switch

Sh

aper

Sh

aper


Pozal agujereado (‘leaky bucket’)

• El pozal agujereado se utiliza para:– Suavizar las ráfagas que el usuario produce (conformado

de tráfico o traffic shaping): – Asegurar que el tráfico introducido se corresponde con lo

acordado (vigilancia de tráfico o traffic policing):• Se define con dos parámetros:

: caudal constante máximo que se puede inyectar en la red (el agujero del pozal). Se expresa en Mb/s

– C: buffer (la capacidad del pozal) que absorberá las ráfagas que produzca. Se expresa en Mb

• Si el buffer se llena el tráfico excedente se considera no conforme. Normalmente se descarta o se pasa como tráfico de ‘segunda’ clase (candidato a descartar).


(Mb/s)

C (Mb)

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