PROTOCOLLI DI ROUTING. Vittorio Prisco

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1 PROTOCOLLI DI ROUTING Vittorio Prisco - -

2 ROUTING ROUTING : Scelta del percorso migliore da utilizzare per inviare i pacchetti. ROUTER : Dispositivo atto a instradare i pacchetti sui percorsi di comunicazione tra gli host. Ogni router è collegato a o più reti ed instrada IP Datagrams in esse, accettando pacchetti che arrivano da un'interfaccia di rete e inviando questi verso altre interfacce. Nei router è presente una Rounting Table che memorizza gli host e i nodi della rete e gestisce la loro comunicazione attraverso algoritmi decisionali ben definiti. Questi algoritmi basano la loro attività su parametri della rete che vengono settati nel momento in cui la rete stessa è concepita, oppure si inseriscono da soli ad ogni cambiamento dell'architettura. La principale differenza tra HOST e ROUTER è che un host non conosce ogni nodo al quale deve fare riferimento per instradare i pacchetti mentre un router può essere programmato o può auto programmarsi per conoscere la topologia della rete ed il conseguente criterio di smistamento dei pacchetti in essa. Un Host è solo a conoscenza di : l'indirizzo del router di default più vicino l'indirizzo del router della rete locale Queste rappresentano solo informazioni parziali. Può un router gestire solo informazioni parziali?? Si, ma... La routing table di un dato router che gestisce informazioni parziali circa le possibili destinazioni dei pacchetti, permette più autonomia nell'effettuare cambiamenti nel routing locale ma può gestire problemi di inconsistenza dell'informazioni dulle destinazioni dei pacchetti. FASE DI INIZIALIZZAZIONE DELLE TABELLE DI ROUTING Dipende strettamente dal Sistema Operativo adottato e può avvenire in : 3 MODI DIVERSI: I router possono trarre le informazioni da un'information storage esterno nella fase di avvio aggiornando la propria memoria I router possono avviarsi con tabelle vuote che vengono aggiornate tramite comandi precisi all'interno di script all'avvio Dobbiamo dire che in presenza di reti piccole la fase di aggiornamento della tabella di routing può essere fatta a mano dall'amministratore di rete. Il problema dell'amministrazione manuale dell'instradamento è evidente: non può gestire l'aumento o il cambiamento rapido della rete. In casi di reti di grandi dimensioni la velocità col quale l'architettura stessa della rete può variare 3 I router possono avviarsi con istruzioni base completando il loro aggiornamento contattando un altro router di confine.

3 3 richiede un aggiornamento automatico. Per automatizzare il processo che garantisce la correttezza delle informazioni di instradamento, i router comunicano uno con l'altro scambiandosi le informazioni. I sistemi autonomi piccoli possono utilizzare un singolo protocollo per l'instradamento, quelli grandi possono usare un insieme di protocolli compatibili tra di loro. PROPAGAZIONE AUTOMATICA DELLE TABELLE DI ROUTING Poichè le connessioni falliscono e possono essere ripristinate lentamente, la topologia di una grande rete può variare continuamente. Ecco perchè si rende necessario un meccanismo di propagazione delle tabelle di instradamento automatico veloce ed efficiente. Per questo è necessario conoscere dettagliatamente il comportamento dinamico della rete e i protocolli ed algoritmi da implementarvi su. L'INSTRADAMENTO BASATO SUL VETTORE DELLE DISTANZE E SULL'ALGORITMO DI BELLMAN-FORD. PROTOCOLLI DISTANCE VECTOR Il fine degli algoritmi di routing è quello di calcolare le routes con il percorso più breve. I protocolli distance vector sono basati sull'algoritmo di Bellman-Ford per la ricerca del percorso più breve. DISTANCE VECTOR Il termine DISTANCE VECTOR è riferito ad una classe di algoritmi di routing usati per propagare informazioni sulle routing table. L'idea è molto semplice:. un router mantiene una lista dei percorsi in una tabella. quando si avvia, inizializza la lista al fine di contenere una entry per ogni nodo direttamente connesso. Ogni entry è composta da: (a) destination network (b) distanza (c) next hop 3. periodicamente ogni router invia una copia della propria tabella di routing ad ogni router connesso direttamente 4. quando la copia raggiunge il router vicino questo esamina le entries e se scova una entry che indica un percorso più breve aggiorna la sua entry corrispondente. Il termine DISTANCE VECTOR deriva dal fatto che i router periodicamente si scambiano messaggi informativi contenenti una lista di coppie (V,D) dove: V identifica una destinazione (chiamata Vector) D identifica le distanze verso tale destinazione

4 ESEMPIO: Tabelle di routing e Distance Vector - Funzionamento Normale - 4 A B 3 4 D 6 E 5 C NODO A NODO B NODO C Vector Dest Link Costo Vector Dest Link Costo Vector Dest Link Costo - A local 0 - B local 0 - C local 0 B=0 B A=0 A B=0 B D=0 D 3 C=0 C E=0 E 5 C= C E=0 E 4 A= A E= E D= D D= D 5 NODO D NODO E -- --> Cold Start Vector Dest Link Costo Vector Dest Link Costo - D local 0 - E local 0 A=0 A 3 B=0 B 4 E=0 E 6 C=0 C 5 B= B 3 D=0 D 6 C= C 6 A= A 4

5 5 - Funzionamento Anomalo : Link interrotto - A B 3 4 D 6 E 5 C NODO A NODO B NODO C Vector Dest Link Costo Vector Dest Link Costo Vector Dest Link Costo - - A local B local C local 0 B= B -> 3 3 A= A 4 3 B=0 B D 3 C E 5 C= C -> 3 Inf -> 3 E 4 A= A=0 A 5 3 E= E -> 3 Inf -> D= D -> 4 D 5 NODO D NODO E Vector Dest Link Costo Vector Dest Link Costo - - D local E local 0 A=0 A 3 B=0 B 4 E 6 C 5 B= B=? B 6 D > Cold Start? --> Infinito I nuovi percorsi sono stati calcolati e la connettività globale del sistema è stata ripristinata bypassando il link ma allungando sensibilmente i cammini minimi. C 6 A= A=? A 4 -> 6 Inf ->

6 6 EFFETTO BOUNCING A B D E 5 C Ipotizziamo che il link 5 non abbia costo = ma =0 mentre tutti gli altri link restano a costo =. VERSO IL NODO C (dopo un CS) VERSO IL NODO C (con Link indisponibile e A invia prima di B il Distance Vector a B e D) Da Link Costo Da Link Costo A A B B 4 C local 0 C local 0 D 6 D 6 E 4 E 5 0 Possiamo notare come tra A e B si crei un Loop momentaneo che fa rimbalzare i pacchetti fra i due nodi fino a quando il Time to Live stesso dei pacchetti scade: questo fenomeno viene detto BOUNCING e cessa solo quando la rete convergerà con delle coerenti tabelle di routing. Possiamo inoltre notare come a calcoli completati ci sono voluti diversi step intermedi prima di raggiungere il risultato finale. Questo processo è un processo random il cui termine può variare in relazione all'ordine di trasmissione dei messaggi dai vari siti. Inoltre in situazione di loop si possono creare degli accumuli di pacchetti che causano congestioni dei link interessati, perdita degli stessi pacchetti e messaggi di routing incompresi: tutto ciò si ripercuoterà sulla velocità della convergenza allo stato stabile.

7 7 COUNT TO INFINITY Ipotizziamo che i Link e 6 si rendano indisponibili: A B D E 5 C I nodi A e D sono totalmente isolati dagli altri della rete. Fra questi due, si inizializzerà un loop e poichè C, E e B sono totalmente isolati, non vi è alcuna possibilità di convergere ad uno stato stabile. Ad ogni passaggio le distanze B, C ed E incrementeranno di illimitatamente dando luogo a quello che viene identificato come COUNT TO INFINITY che può essere terminato solo attraverso una convenzione sulla rappresentazione di infinito a distanze più grandi della peggior possibile. Quando tale distanza è raggiunta, allora il nodo è considerato infinitamente distante e quindi irragiungibile. RIMEDI ALL'EFFETTO BOUNCING ED AL COUNT TO INFINITY SPLIT HORIZON Si basa su una precauzione molto semplice: se A sta instradando pacchetti verso X attraversando B, non ha senso che B provi a raggiungere X attraverso A non ha senso che A annunci a B che X è una distanza corta da A Quindi i nodi invece di diffondere lo stesso distance vector su tutti i link di uscita, invieranno differenti versioni di questo messaggio. Split Horizon non è in grado di proteggere contro tutte le forme di loop. TRIGGERED UPDATES Serve ad incrementare la sensibilità del protocollo richiedendo i nodi ai quali inviare i messaggi non appena questi verificano un cambiamento alle tabelle di routing, senza attendere lo scadere della fine del periodo * : questa procedura aumenta la velocità di convergenza e poichè le corrette informazioni vengono propagate immediatamente si evitano il maggior numero di loops intermedi. * : La decisione di inviare il distance vector ad un nodo vicino è frutto di molti compromessi fra tempestività dell'informazione, necessità di attendere un completo set di aggiornamenti, resistenza alla perdita di pacchetti e monitoraggio dei nodi vicini. Molte implementazioni del protocollo RIP si affidano all'invio dei messaggi distance vector

8 8 attraverso i nodi per monitorare i nodi vicini e per la correzione dei pacchetti persi; ciò viene fatto usando un timer associato ad ogni entry della tabella: se l'informazione viene refreshata con un nuovo pacchetto prima della scadenza del timer allora si assume che il nodo vicino presenta guasti o altri problemi e la distanza verso questo viene fissata ad infinito. Ovviamente il timer deve essere più grande del tempo di trasmissione e a tal proposito RIP suggerisce un timer 6 volte l'intervallo di trasmissione. L'algoritmo Distance Vector ha il grosso svantaggio di non essere adatto ad inter-reti di grandi dimensioni dato il problema di avere una risposta lenta al cambiamento e dello scambio di messaggi troppo grandi. L'alternativa fondamentale agli algoritmi Distance Vector è una classe di algoritmi detta SPF (Shortest Path First) o Link State. PROTOCOLLI LINK STATE (SPF) I protocolli LINK STATE sono basati sul concetto di MAPPE DISTRIBUITE. Invece di calcolare i percorsi migliori in modo distribuito, tutti i nodi posseggono una copia della mappa della rete ed eseguono un calcolo dei migliori percorsi da questa mappa locale inclusa in un database dove ciascun record rappresenta un link della rete. Ad esempio, la rete sotto : A B 3 4 D 6 E 5 C può essere rappresentata dal seguente database: Database Link State Da A Link Distanza A B A D 3 B A B C B E 4 C B C E 5 D A 3 D E 6 E B 4

9 9 Database Link State E C 5 E D 6 (abbiamo riportato le distanze dei nodi vicini sui relativi link) Con le informazioni contenute nel database, ogni nodo può calcolare il percorso più breve da se stesso a tutti gli altri. Inoltre, poichè tutti i nodi contengono lo stesso database i percorsi che ne derivano sono coerenti e non si verificano loops. I pacchetti inviati da un router e che permettono la costruzione della mappa della rete sono detti LSP O Link State Packet; essi contengono: lo stato di ogni link connesso al router l'identità di ogni vicino connesso all'altro estremo del link costo del link numero di sequenza checksum lifetime, per rendere la validità del LSP limitata nel tempo Un LSP viene generato periodicamente oppure se viene rilevata una variazione nella topologia locale (fra i nodi adiacenti) ossia: viene riconosciuto un nuovo nodo vicino il costo verso un nodo vicino cambia si è persa la connettività con un nodo adiacente prima raggiungibile L'LSP viene trasmesso in flooding su tutti i link del router e tutti i router del dominio di routing lo ricevono e una volta ricevuto il router: memorizza il pacchetto e lo ritrasmette in flooding su tutte le linee eccetto quella da cui l'ha ricevuto se : non ha mai ricevuto LSP da quel router se l' LSP è più recente di quello precedentemente memorizzato non fa nulla se l'lsp ha lo stesso Sequence Number di quello posseduto trasmette al mittente il pacchetto più recente se l'lsp è più vecchio di quello posseduto Uno dei principali vantaggi degli algoritmi SPF è che ciascun router calcola i percorsi indipendentemente usando gli stessi dati originali sullo stato non dipendendo dal calcolo di macchine intermedie. Tali sistemi si adatteranno molto meglio a sistemi distribuiti di grandi dimensioni, meglio del protocollo Distance Vector. PROTOCOLLI DI TIPO DISTANCE VECTOR IL PROTOCOLLO RIP Il protocollo IGP (o interior gateway protocol) maggiormente usato su internet è senza dubbio il protocollo RIP, ovvero Routing Information Protocol che è un protocollo appartenente alla famiglia dei protocolli di tipo Distance Vector. Il protocollo RIP è in due versioni: la versione RIPv, che è classfull e la versione RIPv che è classless ed è aggiornata. CARATTERISTICHE: Gli indirizzi presenti nelle tabelle RIP sono indirizzi a 3 bit e le entry delle tabelle di routing possono rappresentare un host, una rete o una sottorete, è il router che ha il compito di distinguere la tipologia giusta.

10 0 RIP utilizza una metrica molto semplice: la distanza espressa in hop è il numero di links che vengono attraversati per raggiungere la destinazione. Questa è espressa in un numero variabile tra e 5, il numero 6 sostituisce l'infinito. (un'inter-rete che usa RIP deve avere al più 5 router fra due host) RIP supporta links punto-punto oppure vere reti broadcast come Ethernet. FUNZIONAMENTO: Esso divide i partecipanti in MACCHINE ATTIVE o PASSIVE: le prime annunciano i loro instradamenti ad altri, le seconde ascoltano i messaggi RIP e li usano per aggiornare le loro tabelle di instradamento senza renderli noti. I pacchetti RIP vengono impachettati nei pacchetti UDP o IP; i processi utilizzano la porta 50 sia per la trasmissione che per la ricezione (50 per poter rispettare le misure di sicurezza in sistemi BSD-Unix). I pacchetti sono inviati ogni 30 secondi, o meno in caso di aggiornameto delle tabelle, in modalità broadcast e vengono ricevuti da tutti i routers connessi alla rete. Se una route non viene aggiornata dopo 3 minuti la distanza viene fissata ad infinito e l'entry viene successivamente rimossa dalle tabelle. Per evitare aggiornamenti frequenti, questi vengono eseguiti ogni 5 secondi. Il protocollo RIP prevede un comando di richiesta e uno di risposta o aggiornamento; in risposta, un processo RIP aggiorna la propria tabella nella quale ogni entry sarà composta di: indirizzo di destinazione metrica associata alla destinazione indirizzo del router di next hop un flag indicante il recently update uno o più timers Processando le risposte in arrivo, il router processerà le voci una ad una eseguendo una serie di checks per verificare se l'indirizzo sia valido, a quale classe appartiene, che il numero dell'ip non sia o , che la metrica non sia maggiore di infinito. In qualunque altro caso le voci non corrette vengono ignorate. Comunque, se la metrica in arrivo è diversa da infinito, viene incrementata di per il successivo hop, la tabella di routing viene scandita e viene eseguito il generico processo di Distance Vector seguente: se la voce non è presente e la sua metrica non è infinito, la aggiunge in tabella inizializzando la metrica al valore ricevuto ed il next router al mittente del messaggio, prima di avviare un timer per quella voce se la voce è presente con una metrica più grande, aggiorna i campi della metrica del next router e riavvia il timer per quella voce se la voce è presente ed il next router è il mittente del messaggio di risposta, aggiorna la metrica se questa differisce dal valore memorizzato e riavvia il timer. N.B. Se la metrica o il next router cambiano, l'entry viene marcata come aggiornata. Un messaggio di risposta viene inviato in intervalli regolari di 30 secondi o può essere attivato in seguito ad un aggiornamento delle tabelle di routing. CARATTERISTICHE DEL MESSAGGIO RIP: Un messaggio RIP normalmente include : indirizzo

11 metrica per tutte le voci della tabella, ma se il messaggio è di aggionamento non deve includere tutte le voci ma solo quelle che sono state aggiornate rispetto all'ultima trasmissione. Il massimo formato di un messaggio RIP è di 5 bytes e permette di avere sino a 5 voci per messaggio. Se c'è un numero maggiore di voci, allora RIP invierà più pacchetti. I processi RIP possono anche ricevere messaggi di richiesta da router per ottenere dai vicini il valore iniziale delle tabelle di routing. Esistono possibili forme di richiesta: richiesta per una lista completa delle tabelle di routing, che si ha specificando indirizzo e metrica per l'indirizzo di default con metrica infinita richiesta per sole specifiche routes PROTOCOLLI DI TIPO LINK STATE O SPF IL PROTOCOLLO OSPF OSPF sta per Open Shortest Path First e come suggerisce il nome la sua specifica è disponibile in licenza open source. Esso include l'instradamento basato sul tipo di servizio: possono essere registrati dai gestori più percorsi per ogni servizio o priorità. E' il primo protocollo di tipo TCP/IP ad offrire l'opportunità di usare sia l'ip destinazione che il campo del tipo di servizio per instradare un datagram. OSPF fornisce un bilanciamento del carico dato che distribuisce il traffico in egual modo su tutti i percorsi (a differenza di RIP). Inoltre si può suddividere la rete in aree permettendone una migliore gestione, anche in caso di reti di grandi dimensioni. BGP (Border Gateway Protocol) BGP (o Border Gateway Protocol) è un protocollo di routing tra domini usato su reti dove diversi Sistemi Autonomi sono collegati attraverso strutture dette Internet Service Provider. BGP costruisce un grafo di AS basato sulle informazioni che si scambiano i router: in questo grafo ciascun AS viene identificato da un numero univoco e la connessione di ogni AS è un percorso. CARATTERISTICHE DI BGP: AFFIDABILITÀ DELLA CONNESSIONE: i router adiacenti comunicano attraverso TCP che ne garantsce affidabilità ed evita totalmente i problemi di ritrasmissione. Usa il PROTOCOLLO PATH VECTOR: variante del Distance Vector che permette la memorizzazione dell'intero percorso tra due reti con immediato riconoscimento dei loop e del conteggio a infinito. Inoltre non obbliga tutti gli AS ad usare la stessa metrica. Le destinazioni sono espresse in termini di prefissi di indirizzo Ogni router fa una classifica dei percorsi alternativi tramite l'algoritmo di Decision Process.