Chapter 4 Network Layer

Transkriptio

1 Chapter 4 Network Layer Antti Sinkkonen 2-37 Patrik Tikka Esko Mäkelä Saku Käsnänen Markus Leppioja Henri Takki Computer Networking: A Top Down Approach th 6 edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley March 2012 Network Layer 4-1

2 Chapter 4: network layer chapter goals: understand principles behind network layer services: network layer service models forwarding versus routing how a router works routing (path selection) broadcast, multicast instantiation, implementation in the Internet Network Layer 4-2

3 Kappale 4: verkkotaso Kappaleen tavoitteet: ymmärtää verkkotason periaatteet: verkkotason palvelumallit edelleenlähetys vs. reititys kuinka reititin toimii reititys (polun valinta) lähetys, ryhmälähetys Instanssit, toimeenpano verkossa Network Layer 4-3

4 Chapter 4: outline 4.1 introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol datagram format IPv4 addressing ICMP IPv6 4.5 routing algorithms link state distance vector hierarchical routing 4.6 routing in the Internet RIP OSPF BGP 4.7 broadcast and multicast routing Network Layer 4-4

5 Network layer transport segment from sending to receiving host on sending side encapsulates segments into datagrams on receiving side, delivers segments to transport layer network layer protocols in every host, router router examines header fields in all IP datagrams passing through it application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network network data link data link physical physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical application transport network data link physical Network Layer 4-5

6 Verkkotaso kuljetuslohko lähettävältä vastaanottavalle palvelimelle lähetyspuolella enkapsuloi datagrammeiksi vastaanottopuolella toimittaa lohkot kuljetustasolle verkkotason protokollat joka palvelimella ja reitittimellä reititin tutkii kaikkien sen ohi kulkevien IP datagrammien otsikkokenttiä. application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network network data link data link physical physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical application transport network data link physical Network Layer 4-6

7 Two key network-layer functions forwarding: move packets from router s input to appropriate router output routing: determine route taken by packets from source to dest. routing algorithms analogy: routing: process of planning trip from source to dest forwarding: process of getting through single interchange Network Layer 4-7

8 Kaksi verkkotason tärkeintä toimintoa edelleenlähetys: siirtää paketteja reitittimen sisääntulosta oikeaan reitittimen ulostuloon reititys: päättää pakettien reitti lähteeltä kohteeseen reititys algoritmit analogia: reititys: matkan suunnittelu prosessi lähtöpaikasta kohteeseen edelleenlähetys: toiminto, jolla päästään läpi kaikista risteyksistä Network Layer 4-8

9 Interplay between routing and forwarding routing algorithm routing algorithm determines end-end-path through network local forwarding table header value output link forwarding table determines local forwarding at this router value in arriving packet s header Network Layer 4-9

10 Reitityksen ja edelleenlähetyksen välinen vuorovaikutus reititys algoritmi päättää loppu-loppu-reitin läpi verkon. reititys algoritmi paikallinen edelleenläh. otsikkoarvo ulostulolinkki edelleenlähetystaulukko päättää paikallisen edelleenlähetyksen tässä reitittimessä. saapuvan paketin otsikkoarvo Network Layer 4-10

11 Connection setup 3rd important function in some network architectures: ATM, frame relay, X.25 before datagrams flow, two end hosts and intervening routers establish virtual connection routers get involved network vs transport layer connection service: network: between two hosts (may also involve intervening routers in case of VCs) transport: between two processes Network Layer 4-11

12 Yhteysjärjestely 3. tärkeä toiminto joissain verkkoarkkitehtuureissa: ATM, kehysviesti, X.25 ennen kuin datagrammit siirtyy, kaksi loppupalvelinta ja välissä olevat reitittimet avaavat virtuaalisen yhteyden reitittimet tulee peliin verkkotaso vs kuljetustaso palvelumalli: verkko: kahden palvelimen välillä (saattaa sisältää välissä olevia reittimiä VC:n tapauksessa) kuljetus: kahden prosessin välillä Network Layer 4-12

13 Network service model Q: What service model for channel transporting datagrams from sender to receiver? example services for individual datagrams: guaranteed delivery guaranteed delivery with less than 40 msec delay example services for a flow of datagrams: in-order datagram delivery guaranteed minimum bandwidth to flow restrictions on changes in inter-packet spacing Network Layer 4-13

14 Verkkopalvelumalli K: Mikä palvelumalli kanavoimaan kuljetusdatagrammeja lähettäjältä vastaanottajalle? esimerkkipalveluita yksittäisillä datagrammeille: varma toimitus varma toimitus alle 40 msek. viiveellä esimerkkipalveluita datagrammivuolle: järjestystoimitus datagrammeille varma minimikaistanleveys vuolle rajoituksia paketinsisäisiin muutoksiin Network Layer 4-14

15 Network layer service models: Network Architecture Internet Service Model Guarantees? Congestion Bandwidth Loss Order Timing feedback best effort none ATM CBR ATM VBR ATM ABR ATM UBR constant rate guaranteed rate guaranteed minimum none no no no yes yes yes yes yes yes no yes no no (inferred via loss) no congestion no congestion yes no yes no no Network Layer 4-15

16 Verkkotason palvelumallit: Verkkoarkki tehtuuri Internet Palvelum alli paras yritys ATM CBR ATM Varmaa Kaistanleveys Häviö Order Ajoitus ei mitään ei ei ei jatkuva tahti kyllä kyllä kyllä kyllä kyllä kyllä ei kyllä ei kyllä ei taattu tahti VBR taattu minimi ATM ABR ATM UBR ei mitään ei Ruuhkapal aute ei(päätellään häviön kautta) ei ruuhkaa ei ruuhkaa ruuhkaa ei Network Layer 4-16

18 Connection, connection-less service datagram network provides network-layer connectionless service virtual-circuit network provides network-layer connection service analogous to TCP/UDP connecton-oriented / connectionless transport-layer services, but: service: host-to-host no choice: network provides one or the other implementation: in network core Network Layer 4-18

19 Yhdistetty, yhteydetön palvelu datagrammi verkko tarjoaa verkkotason yhteydettömän palvelun virtual-circuit verkko tarjoaa verkkotason yhteydellisen palvelun Analoginen TCP/UDP:n yhteydellsillä/yhteydettömille palveluille, mutta: palvelu: palvelin-palvelin ei valintaa: verkko tarjoaa jommankumman implementoitu: verkon ytimessä Network Layer 4-19

20 Virtual circuits source-to-dest path behaves much like telephone circuit performance-wise network actions along source-to-dest path call setup, teardown for each call before data can flow each packet carries VC identifier (not destination host address) every router on source-dest path maintains state for each passing connection link, router resources (bandwidth, buffers) may be allocated to VC (dedicated resources = predictable service) Network Layer 4-20

21 Virtuaaliset piirit lähde-kohde reitti käyttäytyy pitkälti kuin puhelinpiiri suorituskyvyltään verkkotoiminnot lähde-kohde reittiä pitkin soittaa järjestelyn, purku joka soitolle ennen kuin data voi virrata joka paketti kuljettaa VP tunnisteen (ei kohdepalvelimen osoitetta) joka reititin reitillä säilyttää tason jokaisella ohittavalle yhteydelle linkki, reitittimen resurssia (kaistanleveyttä) voidaan varata VP:lle Network Layer 4-21

22 VC implementation a VC consists of: path from source to destination VC numbers, one number for each link along path entries in forwarding tables in routers along path packet belonging to VC carries VC number (rather than dest address) VC number can be changed on each link. new VC number comes from forwarding table Network Layer 4-22

23 VP implementointi virtuaalinen piiri koostuu: reitistä lähteeltä kohteelle VP numeroista, yksi numero / reitti pääsyistä edelleenlähetystaulukoille reitin varrella oleville reitittimille VP:lle kuuluva paketti kuljettaa VP tunnisteen (eikä kohteen palvelimen osoitetta) VP numero voidaan vaihtaa joka linkissä. uusi VP numero tulee edelleenlähetystaulukosta Network Layer 4-23

24 VC forwarding table VC number forwarding table in northwest router: Incoming interface interface number Incoming VC # Outgoing interface Outgoing VC # VC routers maintain connection state information! Network Layer 4-24

25 VP edelleenlähetystaulukko VP numero edelleenlähetystaulukko: Saapuva rajapinta Saapuva VP # rajapinn an numero Lähtevä rajapinta Lähtevä VP # VP reitittimet säilyttävät yhteystilojen tiedot Network Layer 4-25

26 Virtual circuits: signaling protocols used to setup, maintain teardown VC used in ATM, frame-relay, X.25 not used in today s Internet application transport network data link physical 5. data flow 4.begins call connected 1. initiate call 6. receive 3.data accept call 2. incoming call application transport network data link physical Network Layer 4-26

27 Virtuaaliset piirit: protokollien signaalointi käytetään järjestämiseen, ylläpitoon ja purkuun käytetään ATM, frame-relay, X.25 Ei käytössä nykypäivän Internetissä application transport network data link physical 5. data flow begins 4. call connected 1. initiate call 6. receive 3.data accept call 2. incoming call application transport network data link physical Network Layer 4-27

28 Datagram networks no call setup at network layer routers: no state about end-to-end connections no network-level concept of connection packets forwarded using destination host address application transport network 1. send datagrams data link physical application transport 2. receive datagrams network data link physical Network Layer 4-28

29 Datagrammi verkot ei kutsuta järjestelmää verkkotasolla reitittimet: ei tilaa loppu-loppu yhteyksistä ei verkkotason konseption yhteydestä paketit edelleenlähetetään käyttäen kohteen osoitetta application transport network 1. send datagrams data link physical application transport 2. receive datagrams network data link physical Network Layer 4-29

30 Datagram forwarding table routing algorithm local forwarding table dest address output link address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range 4 4 billion IP addresses, so rather than list individual destination address list range of addresses (aggregate table entries) IP destination address in arriving packet s header Network Layer 4-30

31 Datagrammin edelleenlähetystaulukko 4 miljardia IP osoitetta, joten mieluummin listaa osoiteluokkia kuin yksittäisiä osoitteita reititysalgoritmi paikallinen edelleenläh. taulukko kohteen osoite ulostulolinkki address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range 4 kohteen IP osoite saapuvan paketin otsikossar Network Layer 4-31

32 Datagram forwarding table Destination Address Range Link Interface through through through otherwise 3 Q: but what happens if ranges don t divide up so nicely? Network Layer 4-32

33 Datagrammin edelleenläh.taul Kohteen osoiteluokka muuten Linkin rajapinta K: mutta mitä tapoahtuu jos luokat eivät jakaannu niin Network Layer 4-33 nätisti?

34 Longest prefix matching longest prefix matching when looking for forwarding table entry for given destination address, use longest address prefix that matches destination address. Destination Address Range Link interface *** ********* ********* *** ********* 2 otherwise 3 examples: DA: DA: which interface? which interface?network Layer 4-34

35 Pisin etuliite -paritus pisin etuliite -paritus kun etsitään edellenläh.taulukon merkintää annetulle kohdeosoittelle, käytetään pisintä etuliitettä, joka sopii yhteen kohteen osoitteen kanssa. Kohdeosoitteen luokka linkkirajapint *** ********* ********* *** ********* 2 muuten 3 esim: DA: mikä rajapinta? DA: Network Layer 4-35

36 Datagram or VC network: why? Internet (datagram) data exchange among computers elastic service, no strict ATM (VC) strict timing, reliability requirements need for guaranteed service timing req. many link types different characteristics uniform service difficult smart end systems (computers) evolved from telephony human conversation: dumb end systems telephones complexity inside network can adapt, perform control, error recovery simple inside network, complexity at edge Network Layer 4-36

37 Datagrammi vai VP verkko: miksi? Internet (datagrammi) datan vaihto tietokoneiden välillä elastinen palvelu, ei tiukkaa ATM (VP) tiukka ajoitus, luotettavuus rajoitukset tarve varmoille palveluille ajoitusta vaativa monta linkkityyppiä eri luonteenpiirteet yksimuotoinen palvelu vaikeaat saapunut puhelimista ihmiskeskustelu: tyhmät päätteet (telephones) mutkikkuus verkon sisällä viisaat päätteet (tietokoneet) voivat sopeutua, kontrolloida, virheistä palautuminen yksinkertaista verkon sisällä, mutkikasta reunoilla Network Layer 4-37

39 Router architecture overview two key router functions: run routing algorithms/protocol (RIP, OSPF, BGP) forwarding datagrams from incoming to outgoing link forwarding tables computed, pushed to input ports routing processor routing, management control plane (software) forwarding data plane (hardware) high-seed switching fabric router input ports router output ports Network Layer 4-39

40 Reititin arkkitehtuuri katsaus Kahden avaimen reitittimien toiminta: Ajaa reititysalgoritmejä/protokollia (RIP, OSPF, BGP) Välittää datapaketteja tulolinkiltä lähtölinkille Välitys lähtöporttiin Reitityspr osessori Ohjauspaneeli Välitysdatapaneeli Suurnope uskytkent ä kanta Reitittimen tuloportit Reitittimen lähtöportit Network Layer 4-40

41 Input port functions link layer protocol (receive ) line termination lookup, forwarding switch fabric queueing physical layer: bit-level reception data link layer: e.g., Ethernet see chapter 5 decentralized switching: given datagram dest., lookup output port using forwarding table in input port memory ( match plus action ) goal: complete input port processing at line speed queuing: if datagrams arrive faster than forwarding rate into switch fabric Network Layer 4-41

42 Tuloportin toiminta Linkki kerrokse n protokoll a (Vastaa notto) Linjan päätevastus Fyysinen taso: Bittitason vastaanotto Linkkitaso: Esim. Ethernet Tarkistus, välitys Kytkent äkanta Jonotus Hajautettu kytkentä: Annettu toimitusosoite., Ohjaus oikeaan lähtöporttiin välitystaulun avulla( match plus action ) Tarkoitus: Viedä käsittely prosessi läpi, hidastamatta reitittimen toimintaa Jonotus: Jos dataa tulee enemmän, kun kytkentäkanta pystyy sitä ohjaamaan. Network Layer 4-42

43 Switching fabrics transfer packet from input buffer to appropriate output buffer switching rate: rate at which packets can be transfer from inputs to outputs often measured as multiple of input/output line rate N inputs: switching rate N times line rate desirable three types of switching fabrics memory memory bus crossbar Network Layer 4-43

44 Kytkentäkanta Siirtää datan tulojonosta oikeaan lähtöjonoon Kytkentätaajuus: Taajuus jolla paketteja voidaan siirtää tuloista lähtöihin Mitataan useimmiten verraten monen tulon ja lähdön kuormitusta (tulo/lähtö) N tulot: kytkentätaajuus N kertaa haluttu linjataajuus Kolme erilaista kytkentäkantaa memory Muisti Vä ylä Poikkipuu Network Layer 4-44

45 Switching via memory first generation routers: traditional computers with switching under direct control of CPU packet copied to system s memory speed limited by memory bandwidth (2 bus crossings per datagram) input port (e.g., Ethernet) memory output port (e.g., Ethernet) system bus Network Layer 4-45

46 Muistikytkentä 1. sukupolven reitittimet: Perinteisiä tietokoneita, CPU hoiti kytkennän ohjauksen Paketit kopioitiin järjestelmän muistiin Nopeus rajoittui muistin kaistanleveyteen (kaksi väylän ylitystä / datapaketti) input port (e.g., Ethernet) memory output port (e.g., Ethernet) system bus Network Layer 4-46

47 Switching via a bus vdatagram from input port memory to output port memory via a shared bus vbus contention: switching speed limited by bus bandwidth 32 Gbps väylä, Cisco 5600: vsufficient speed for access and enterprise routers Bus Network Layer 4-47

48 Väyläkytkentä Datapaketti sijoitettiin tuloportin muistiin Ja sieltä lähtöportin muistiin käyttäen yhteistä väylää Väylän heikkous: Kytkentätaajuus rajoittuu väylän nopeuteen 32 Gbps väylä, Cisco 5600: Riittävä nopeus yritys- ja pääsyreitittimille Väylä Network Layer 4-48

49 Switching via interconnection network overcome bus bandwidth limitations banyan networks, crossbar, other interconnection nets initially developed to connect processors in multiprocessor advanced design: fragmenting datagram into fixed length cells, switch cells through the fabric. Cisco 12000: switches 60 Gbps through the interconnection network crossbar Network Layer 4-49

50 Yhteisverkkokytkentä Selvittää kaistanleveysongelman banyan verkko, poikkipuu, muut verkot kehitettiin yhdistämään prosessorinsa yhdeksi moniydinprosessoriksi Kehittynyt rakenne: Sirpaloitudatapaketti muutettiin määrämittaisiksi soluiksi, Jotka kulkevat kytkentäkannan läpi kytkentäsoluina. Cisco 12000: switches 60 Gbps Saavutettiin yhteiskytkentätekniikalla crossbar Network Layer 4-50

51 Output ports switch fabric datagram buffer queueing This slide in HUGELY important! link layer protocol (send) line termination buffering required when datagrams Datagram (packets) arrive can be lost due tothe congestion, lack of buffers from fabric faster than transmission rate Priority chooses schedulingamong who gets best scheduling discipline performance, network neutrality queued datagrams for transmission Network Layer 4-51

52 Lähtöportit Kytkentä kanta datagram buffer queueing Jäätävän tärkeä DIA! link layer protocol (send) line termination Datapaketteja saattaa hä hallinnan aikana, tämä jo puskurien puutteesta Puskuri tarvitaan kun paketteja saapuukytkentäkannasta nopeammin, kun niitä voidaan lähettää Aikataulutus valitsee jonottettavista lähetettävät paketit Prioriteetti aikataulutus Millä paketilla on todennäköisimmin nopein yhteys Network Layer 4-52

53 Output port queueing switch fabric at t, packets more from input to output switch fabric one packet time later buffering when arrival rate via switch exceeds output line speed queueing (delay) and loss due to output port buffer overflow! Network Layer 4-53

54 Lähtöporttijonotus switch fabric Enemmän paketteja tuloista lähdöille, kun lähdöistä ulos switch fabric Yhtä pakettia myöhemmin Puskurointi aloitetaan, kun paketteja ei saada lähetettyä tarpeeksi nopeasti Jonotus (Viive) ja häviö aiheutuvat lähtöporttien muistin vuodosta, kapasiteetin ylittävän toimintaasteen vallitessa (Wadap kujo)! Network Layer 4-54

55 How much buffering? RFC 3439 rule of thumb: average buffering equal to typical RTT (say 250 msec) times link capacity C e.g., C = 10 Gpbs link: 2.5 Gbit buffer recent recommendation: with N flows, buffering equal to RTT. C N Network Layer 4-55

56 Kuinka paljon puskurointia? RFC 3439 Peukkusääntö: keskimääräinen puskurointi = tyypillinen viive (eli 250 msec) kerrottuna linkin kapasiteetillä C e.g., C = 10 Gpbs linkki: 2.5 Gbit puskuri Viimeisin suositus: N määrällä, puskurointi = RTT. C N Network Layer 4-56

57 Input port queuing fabric slower than input ports combined -> queueing may occur at input queues queueing delay and loss due to input buffer overflow! Head-of-the-Line (HOL) blocking: queued datagram at front of queue prevents others in queue from moving forward switch fabric output port contention: only one red datagram can be transferred. lower red packet is blocked switch fabric one packet time later: green packet experiences HOL blocking Network Layer 4-57

58 Tuloportilla jonotus Kanta on hitaampi kuin tuloportit yhteensä -> Jonotusta saattaa ilmetä tuloporteilla Viiveet ja häviöt aiheutuvat muistin ylittymisestä! Head-of-the-Line (HOL) blokkaus: Etummaisina jonottavat paketit estävät muita jonossa olevia etenemästä switch fabric Lähtöportti: Vain yksi punainen datapaketti voidaan siirtää. Alempi punainen paketti blokataan switch fabric yhtä pakettia myöhemmin: vihreälle paketille tehdään HOL blokkaus Network Layer 4-58

60 The Internet network layer host, router network layer functions: transport layer: TCP, UDP IP protocol routing protocols network layer path selection RIP, OSPF, BGP forwarding table addressing conventions datagram format packet handling conventions ICMP protocol error reporting router signaling link layer physical layer Network Layer 4-60

61 Internetin verkkokerros Isäntä, reititin verkkokerroksen toiminta: Kuljetuskerros: TCP, UDP IP protokolla Reititysprotokollat Verkko kerros Osoitteenmuutos Datapaketin muoto Paketinhallinta path selection RIP, OSPF, BGP Välitystaulu ICMP protokolla virhe raportointi reitittimen hälyttäminen Linkkikerros Fyysinenkerros Network Layer 4-61

62 IP datagram format IP protocol version number header length (bytes) type of data max number remaining hops (decremented at each router) upper layer protocol to deliver payload to how much overhead? 20 bytes of TCP 20 bytes of IP = 40 bytes + app layer overhead 32 bits total datagram length (bytes) type of ver head. len service length 16-bit identifier upper time to layer live fragment flgs offset header checksum for fragmentation/ reassembly 32 bit source IP address 32 bit destination IP address options (if any) data (variable length, typically a TCP or UDP segment) e.g. timestamp, record route taken, specify list of routers to visit. Network Layer 4-62

63 IP kehyksen rakenne IP protokollan versio Tunnisteen pituus datan muoto Kestoaika (Vähenee jokaisella reitittimellä) Ylemmän tason protokolla kuorman toimittamiseksi Kuinka paljon kuormitusta? 20 byteäf TCP 20 byteä IP = 40 byteä + sovelluskerroksen kuormitus 32 bits type of ver head. len service 16-bit identifier upper time to layer live length flgs fragment offset header checksum Todellinen datapaketin pituus (byteä) Uudelleenkas aamista varten 32 bit source IP address 32 bit destination IP address options (if any) data (variable length, typically a TCP or UDP segment) e.g. Aikaleima, määrittää reititinlistan, joilla tullaan käymään Network Layer 4-63

64 IP fragmentation, reassembly fragmentation: in: one large datagram out: 3 smaller datagrams reassembly network links have MTU (max.transfer size) largest possible link-level frame different link types, different MTUs large IP datagram divided ( fragmented ) within net one datagram becomes several datagrams reassembled only at final destination IP header bits used to identify, order related fragments Network Layer 4-64

65 IP fragmentointi, uudelleenkokous fragmentointi: sisään: yksi iso datagrammi ulos: 3 pienempää datagrammia reassembly verkkolinkeillä on MTU (maksimi lähetyskoko) mahdollisimman iso linkkitason kehys erilaisia linkkityyppejä erilaisia MTU:ita suuri IP datagrammi jaettuna ( fragmentoidussa ) verkossa yhdestä datagrammista tulee useita datagrammeja uudelleenkootaan vain viimeisessä päämäärässä IP tunniste bittejä käytetään tunnistamiseen, järjestykseen liittyviä fragmentteja Network Layer 4-65

66 IP fragmentation, reassembly example: 4000 byte datagram MTU = 1500 bytes 1480 bytes in data field offset = 1480/8 length ID fragflag =4000 =x =0 offset =0 one large datagram becomes several smaller datagrams length ID fragflag =1500 =x =1 offset =0 length ID fragflag =1500 =x =1 offset =185 length ID fragflag =1040 =x =0 offset =370 Network Layer 4-66

67 IP fragmentointi, uudelleenkokous esimerkki: 4000 tavun datagrammi MTU = 1500 tavua pituus ID fraglippu kuittaus =4000 =x =0 =0 yhdestä isosta datagrammista tulee useampi pienempi datagrammi 1480 tavua data kentässä pituus ID fragflag kuittaus =1500 =x =1 =0 kuittaus = 1480/8 pituus ID fragflag kuittaus =1500 =x =1 =185 pituus ID fragflag kuittaus =1040 =x =0 =370 Network Layer 4-67

69 IP addressing: introduction IP address: 32-bit identifier for host, router interface interface: connection between host/router and physical link router s typically have multiple interfaces host typically has one or two interfaces (e.g., wired Ethernet, wireless ) IP addresses associated with each interface = Network Layer 4-69

70 IP osoittaminen: johdanto IP osoite: 32-bit tunniste isännälle, reititin rajapinta rajapinta: yhteys isännän/reitittimen ja fyysisen linkin välillä reitittimellä tyypillisesti monta rajapintaa isännällä tyypillisesti yksi tai kaksi rajapintaa (esim., Ethernet, langaton ) IP osoitteet liitetään kuhunkin rajapintaan = Network Layer 4-70

71 IP addressing: introduction Q: how are interfaces actually connected? A: we ll learn about that in chapter 5, A: wired Ethernet interfaces connected by Ethernet switches For now: don t need to worry about how one interface is connected to another (with no intervening router) A: wireless WiFi interfaces connected by WiFi base station Network Layer 4-71

72 IP osoittaminen: johdanto Q: kuinka rajapinnat ovat oikeasti yhdistety? A: opimme tästä lisää kappaleissa 5, A: langallinen Ethernet rajapinta yhdistetty Ethernet kytkimillä Toistaiseksi: ei tarvitse murehtia kuinka yksi rajapinta on A: langaton WiFi rajapinta yhdistetty toiseen (ilman, että yhdistetty WiFi asemalla reitin tulee väliin) Network Layer 4-72

73 Subnets IP address: subnet part - high order bits host part - low order bits what s a subnet? device interfaces with same subnet part of IP address can physically reach each other without intervening router subnet network consisting of 3 subnets Network Layer 4-73

74 Aliverkot IP osoite: aliverkko-osa - korkean järjestyksen bittejä isäntäosa - matalan järjestyksen bittejä mikä on aliverkko? laitteen rajapinta, jolla on sama osa aliverkon IP-osoitteesta voi fyysisesti tavoittaa toisensa ilman väliin tulevaa reititintä aliverkko verkko sisältää 3 aliverkkoa Network Layer 4-74

75 Subnets / /24 recipe to determine the subnets, detach each interface from its host or router, creating islands of isolated networks each isolated network is called a subnet subnet /24 subnet mask: /24 Network Layer 4-75

76 Aliverkot / /24 resepti aliverkon määrittämiseksi, irroita kukin rajapinta isännästään tai reitittimestään luoden eristyksissä olevien verkkojen saarekkeita kutakin erillistä verkkoa kutsutaan aliverkoksi subnet /24 aliverkon maski: /24 Network Layer 4-76

77 Subnets how many? Network Layer 4-77

78 Aliverkot kuinka monta? Network Layer 4-78

79 IP addressing: CIDR CIDR: Classless InterDomain Routing subnet portion of address of arbitrary length address format: a.b.c.d/x, where x is # bits in subnet portion of address subnet part host part /23 Network Layer 4-79

80 IP osoittaminen: CIDR CIDR: Classless InterDomain Routing aliverkon osa osoitteesta joka on satunnaisen pituinen osoitteen muoto: a.b.c.d/x, missä x on # bittiä aliverkon osasta osoitteesta aliverkko osa isäntä osa /23 Network Layer 4-80

81 IP addresses: how to get one? Q: How does a host get IP address? hard-coded by system admin in a file Windows: control-panel->network->configuration>tcp/ip->properties UNIX: /etc/rc.config DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: dynamically get address from as server plug-and-play Network Layer 4-81

82 IP osoitteet: kuinka saada? Q: Kuinka isäntä saa IP-osoitteen? kovakoodattu systeemin järjestelmänvalvojan toimesta tiedostoon Windows: ohjauspaneeli->verkko->asetukset->tcp/ip->lisä asetukset UNIX: /etc/rc.config DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: dynaamisesti hakee osoitteen palvelimelta plug-and-play Network Layer 4-82

83 DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol goal: allow host to dynamically obtain its IP address from network server when it joins network can renew its lease on address in use allows reuse of addresses (only hold address while connected/ on ) support for mobile users who want to join network (more shortly) DHCP overview: host broadcasts DHCP discover msg [optional] DHCP server responds with DHCP offer msg [optional] host requests IP address: DHCP request msg DHCP server sends address: DHCP ack msg Network Layer 4-83

84 DHCP: Dynaaminen isännän konfigurointi protokolla tavoite: sallii isännän hankkia dynaamisesti IP-osoitteensa verkon palvelimelta kun se yhdistää verkkoon voi uudistaa vuokransa käytössä olevasta osoitteesta sallii osoitteiden uudelleenkäytön (pitää vain osoitteita jotka ovat yhteydessä / päällä ) tuki mobiilikäyttäjille, jotka haluavat liittyä verkkoon (kohta lisää) DHCP yleiskatsaus: isäntä lähettää DHCP löytö viestin [valinnainen] DHCP palvelin vastaa DHCP tarjous viestillä [valinnainen] isäntä pyytää IP-osoitetta: DHCP pyyntö viesti DHCP palvelin lähettää osoitteen: DHCP kuittaus viesti Network Layer 4-84

85 DHCP client-server scenario DHCP server / arriving DHCP client needs address in this network / /24 Network Layer 4-85

86 DHCP asiakas-palvelin skenaario DHCP palvelin / saapuva DHCP asiakas tarvitsee osoitteen tässä verkossa / /24 Network Layer 4-86

87 DHCP client-server scenario DHCP server: DHCP discover src : , 68 arriving client Broadcast: is there a dest.: ,67 DHCPyiaddr: server out there? transaction ID: 654 DHCP offer src: , 67 Broadcast: I m a DHCP dest: , 68 yiaddrr:here s server! an IP transaction ID: 654 address you can use lifetime: 3600 secs DHCP request src: , 68 dest:: , 67 Broadcast: OK. I ll take yiaddrr: that IP address! transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 Broadcast: OK. You ve yiaddrr: got that IPID: address! transaction 655 lifetime: 3600 secs Network Layer 4-87

88 DHCP asiakas-palvelin skenaario DHCP palvelin: DHCP löytö src :onko ,siellä 68 Lähetys: dest.: ,67 DHCP palvelinta jossain? yiaddr: saapuva asiakas transaction ID: 654 DHCP tarjous src: , 67 Lähetys: Minä olen DHCP dest: , 68 palvelin!yiaddrr: Tässä on IP-osoite transaction ID: 654 jota voit käyttää! lifetime: 3600 secs DHCP pyyntö src: , 68 dest:: , Lähetys: OK. Minä otan67 yiaddrr: tuontransaction IP-osoitteen ID: 655 lifetime: 3600 secs DHCP kuittaus src: , 67 dest: 68 Lähetys: , OK. Sinä saat yiaddrr: kyseisen IP-osoitteen! transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs Network Layer 4-88

89 DHCP: enemmän kuin IP-osoitteita DHCP voi palauttaa enemmänkin kuin vain allokoidun IP-osoitteen aliverkossa: osoitteet ensimmäisen hyppäyksen reitittimestä asiakkaalle DNS palvleimen nimi ja IP-osoite verkon maski (kertoo verkon vs. isännän osa osoitteesta) Network Layer 4-89

90 DHCP: example DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy router with DHCP server built into router connecting laptop needs its IP address, addr of first-hop router, addr of DNS server: use DHCP DHCP request encapsulated in UDP, encapsulated in IP, encapsulated in Ethernet Ethernet frame broadcast (dest: FFFFFFFFFFFF) on LAN, received at router running DHCP server Ethernet demuxed to IP demuxed, UDP demuxed to DHCP Network Layer 4-90

91 DHCP: esimerkki DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP pyyntö kapseloidaan UDP: ssä, kapseloidaan IP:ssä, kapseloidaan Ethernetissä DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy yhdistääkseen kannettava tarvitsee IP-osoitteen, ensimmäisen hyppäyksen reitittimen osoitteen, DNS palvelimen osoitteen: käytä DHCP:tä reititin jossa DHCP palvelin sisäänrakennettu reitittimeenä Ethernet kehys lähettää (päämäärä: FFFFFFFFFFFF) LAN:ssa, vastaan otetaan reitittimessä, jossa DHCP palvelin pyörii Ethernet epämultipleksataan IP epämultipleksaus, UDP epämultipleksataan DHCP Network Layer 4-91

92 DHCP: example DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy router with DHCP server built into router DCP server formulates DHCP ACK containing client s IP address, IP address of first-hop router for client, name & IP address of DNS server encapsulation of DHCP server, frame forwarded to client, demuxing up to DHCP at client client now knows its IP address, name and IP address of DSN server, IP address of its firsthop router Network Layer 4-92

93 DHCP: example DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy reititin jossa DHCP palvelin sisäänrakennettu reitittimeenä DHCP palvelin kasaa DHCP kuittauksen, joka sisältää asiakkaan IP-osoitteen, IPosoite ensimmäisen hyppäkysen reittimille, DNS palvelimen nimi ja IP-osoite Kapsuloitu DHCP palvelin, kehys lähetetään eteenpäin asiakkaalle, demultipleksataan DHCP asiakkaalla asiakas tietää nyt IP-osoitteensa, DNS palvelimen nimen ja osoitteen, ensimmäisen hyppäyksen reitittimen osoitteen Network Layer 4-93

94 DHCP: Wireshark output (home LAN) Message type: Boot Request (1) Hardware type: Ethernet Hardware address length: 6 Hops: 0 Transaction ID: 0x6b3a11b7 Seconds elapsed: 0 Bootp flags: 0x0000 (Unicast) Client IP address: ( ) Your (client) IP address: ( ) Next server IP address: ( ) Relay agent IP address: ( ) Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Server host name not given Boot file name not given Magic cookie: (OK) Option: (t=53,l=1) DHCP Message Type = DHCP Request Option: (61) Client identifier Length: 7; Value: D323688A; Hardware type: Ethernet Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Option: (t=50,l=4) Requested IP Address = Option: (t=12,l=5) Host Name = "nomad" Option: (55) Parameter Request List Length: 11; Value: 010F03062C2E2F1F21F92B 1 = Subnet Mask; 15 = Domain Name 3 = Router; 6 = Domain Name Server 44 = NetBIOS over TCP/IP Name Server request Message type: Boot Reply (2) Hardware type: Ethernet Hardware address length: 6 Hops: 0 Transaction ID: 0x6b3a11b7 Seconds elapsed: 0 Bootp flags: 0x0000 (Unicast) Client IP address: ( ) Your (client) IP address: ( ) Next server IP address: ( ) Relay agent IP address: ( ) Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Server host name not given Boot file name not given Magic cookie: (OK) Option: (t=53,l=1) DHCP Message Type = DHCP ACK Option: (t=54,l=4) Server Identifier = Option: (t=1,l=4) Subnet Mask = Option: (t=3,l=4) Router = Option: (6) Domain Name Server Length: 12; Value: E F ; IP Address: ; IP Address: ; IP Address: Option: (t=15,l=20) Domain Name = "hsd1.ma.comcast.net." reply Network Layer 4-94

95 DHCP: Wireshark tuloste (koti LAN) Message type: Boot Request (1) Hardware type: Ethernet Hardware address length: 6 Hops: 0 Transaction ID: 0x6b3a11b7 Seconds elapsed: 0 Bootp flags: 0x0000 (Unicast) Client IP address: ( ) Your (client) IP address: ( ) Next server IP address: ( ) Relay agent IP address: ( ) Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Server host name not given Boot file name not given Magic cookie: (OK) Option: (t=53,l=1) DHCP Message Type = DHCP Request Option: (61) Client identifier Length: 7; Value: D323688A; Hardware type: Ethernet Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Option: (t=50,l=4) Requested IP Address = Option: (t=12,l=5) Host Name = "nomad" Option: (55) Parameter Request List Length: 11; Value: 010F03062C2E2F1F21F92B 1 = Subnet Mask; 15 = Domain Name 3 = Router; 6 = Domain Name Server 44 = NetBIOS over TCP/IP Name Server pyyntö Message type: Boot Reply (2) Hardware type: Ethernet Hardware address length: 6 Hops: 0 Transaction ID: 0x6b3a11b7 Seconds elapsed: 0 Bootp flags: 0x0000 (Unicast) Client IP address: ( ) Your (client) IP address: ( ) Next server IP address: ( ) Relay agent IP address: ( ) Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Server host name not given Boot file name not given Magic cookie: (OK) Option: (t=53,l=1) DHCP Message Type = DHCP ACK Option: (t=54,l=4) Server Identifier = Option: (t=1,l=4) Subnet Mask = Option: (t=3,l=4) Router = Option: (6) Domain Name Server Length: 12; Value: E F ; IP Address: ; IP Address: ; IP Address: Option: (t=15,l=20) Domain Name = "hsd1.ma.comcast.net." vastaus Network Layer 4-95

96 IP addresses: how to get one? Q: how does network get subnet part of IP addr? A: gets allocated portion of its provider ISP s address space ISP's block /20 Organization 0 Organization 1 Organization / / /23. Organization /23 Network Layer 4-96

97 IP osoitteet: kuinka saada? Q: kuinka verkko saa aliverkon osan IP-osoitteesta? A: saa allokoidun osan palveluntarjoajansa osoiteavaruudesta ISP' pala /20 Organisaatio 0 Organisaatio 1 Organisaatio / / /23. Organisaatio /23 Network Layer 4-97

98 Hierarchical addressing: route aggregation hierarchical addressing allows efficient advertisement of routing information: Organization /23 Organization /23 Organization /23 Organization Fly-By-Night-ISP Send me anything with addresses beginning /20 Internet /23 ISPs-R-Us Send me anything with addresses beginning /16 Network Layer 4-98

99 Hierarkinen osoittamien: reitin koostaminen hierarkinen osoittaminen mahdollistaa tehokkaan tavan mainostaa reititystietoa: Organisaatio /23 Organisaatio /23 Organisaatio /23 Organisaatio Fly-By-Night-ISP Lähetä minulle mitä vain osoitteista jotka alkaa /20 Internet /23 ISPs-R-Us Lähetä minulle mitä vain osoitteista jotka alkaa /16 Network Layer 4-99

100 Hierarchical addressing: more specific routes ISPs-R-Us has a more specific route to Organization 1 Organization /23 Organization /23 Organization Fly-By-Night-ISP Send me anything with addresses beginning /20 Internet /23 ISPs-R-Us Organization /23 Send me anything with addresses beginning /16 or /23 Network Layer 4-100

101 Hierarkinen osoittaminen: tarkempia reittejä ISPs-R-U:lla on tarkempi reitti Organisaatio ykköselle Organisaatio /23 Organisaatio /23 Organisaatio Fly-By-Night-ISP Lähetä minulle mitä vain osoitteista jotka alkaa /20 Internet /23 ISPs-R-Us Organisaatio /23 Lähetä minulle mitä vain osoitteista jotka alkaa /16 tai /23 Network Layer 4-101

102 IP addressing: the last word... Q: how does an ISP get block of addresses? A: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers allocates addresses manages DNS assigns domain names, resolves disputes Network Layer 4-102

103 IP osoittaminen: viimeiset sanat... Q: kuinka palvelintarjoaja saa osan osoitteista? A: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers allokoi osoitteita hallitsee DNS myöntää domain nimiä, päättää erimielisyyksistä Network Layer 4-103

104 NAT: network address translation rest of Internet local network (e.g., home network) / all datagrams leaving local network have same single source NAT IP address: ,different source port numbers datagrams with source or destination in this network have /24 address for source, destination (as usual) Network Layer 4-104

105 NAT: verkko-osoitteen käännös muu Internet paikallinen verkko (esim. kotiverkko) / kaikki lähtevät paikallisverkon datagrammit jakavat saman lähde NAT IP osoitteen: , lähtöportin numero datagrammeilla, joilla lähtö tai määränpää tässä verkossa on lähdön tai määränpään osoite /24 (kuten tavallisesti) Network Layer 4-105

106 NAT: network address translation motivation: local network uses just one IP address as far as outside world is concerned: range of addresses not needed from ISP: just one IP address for all devices can change addresses of devices in local network without notifying outside world can change ISP without changing addresses of devices in local network devices inside local net not explicitly addressable, visible by outside world (a security plus) Network Layer 4-106

107 NAT: verkko-osoitteen käännös motivaatio: paikallinen verkko käyttää vain yhtä IPosoitetta ulkopuolisen maailman silmissä: osoitelistaa ei tarvita ISP:ltä, vain 1 IP-osoite kaikille laitteille Voi vaihtaa laitteen osoitetta paikallisverkossa ilman että ulkopuolisen maailman tarvitsee huomioida sitä Voi vaihtaa ISP:n ilman että vaihtaa paikallisverkossa laitteiden osoitteita Laitteet paikallisverkkossa ei suoraan osoitettavissa, tai nähtävillä ulkomaailmalle (turvallisuuslisä) Network Layer 4-107

108 NAT: network address translation implementation: NAT router must: outgoing datagrams: replace (source IP address, port #) of every outgoing datagram to (NAT IP address, new port #)... remote clients/servers will respond using (NAT IP address, new port #) as destination addr remember (in NAT translation table) every (source IP address, port #) to (NAT IP address, new port #) translation pair incoming datagrams: replace (NAT IP address, new port #) in dest fields of every incoming datagram with corresponding (source IP address, port #) stored in NAT table Network Layer 4-108

109 NAT: verkko-osoitteen käännös käyttöönotto: NAT reitittimen täytyy: lähtevät datagrammit: korvata (lähtö IP osoite, portin nro) jokaiselle lähtevälle datagrammille (NAT IP osoite, uusi portin nro)... etä käyttäjät/palvelimet vastaavat käyttäen (NAT IP osoitetta, uutta porttinroa) määränpääosoitteena muistaa (NATin käännöstaulussa) jokaisen (lähde IP osoitteen, portin nron) ja (NAT IP osoitteen, uuden portin nron) käännöspari tulevat datagrammit: korvata (NAT IP osoite, uusi portin nro) jokaisen saapuvan datagrammin määränpääkentässä vastaavan (lähde IP osoitteen, portin nro:n), jotka tallessa Network Layer 4-109

110 NAT: network address translation 2: NAT router changes datagram source addr from , 3345 to , 5001, updates table NAT translation table WAN side addr LAN side addr 1: host sends datagram to , , , 3345 S: , 3345 D: , S: , 5001 D: , S: , 80 D: , : reply arrives dest. address: , S: , 80 D: , : NAT router changes datagram dest addr from , 5001 to , 3345 Network Layer 4-110

111 NAT: verkko-osoitteen käännös 2: NAT reititin vaihtaa datagrammin lähdeosoitteen , 3345 :stä , 5001: n, päivittää taulun 2 NAT käännöstaulu WAN puoli os. LAN puoli os. 1: palvelin lähettää datagrammin osoitteeseen , , , 3345 L: , 3345 M: , L: , 5001 M: , L: , 80 M: , : vastaus saapuu määränpääosoitte eseen: , L: , 80 M: , : NAT reititin vaihtaa datagrammin määränpää osoitteen , 5001 :stä , 3345 :n Network Layer 4-111

112 NAT: network address translation 16-bit port-number field: 60,000 simultaneous connections with a single LAN-side address! NAT is controversial: routers should only process up to layer 3 violates end-to-end argument NAT possibility must be taken into account by app designers, e.g., P2P applications address shortage should instead be solved by IPv6 Network Layer 4-112

113 NAT: verkko-osoitteen käännös 16-bittinen porttinumerokenttä: 60,000 yhdenaikaista yhteyttä yhdellä LANpuolen osoitteella! NAT on mielipiteitä jakava: reitittimien pitäisi prosessoida vain kerrokseen 3 asti rikkoo päästä-päähän argumenttia NAT mahdollisuus pitää ottaa huomioon sovelluskehittäijen toimesta, esim, P2P sovellukset osoitepula pitäisi mieluummin ratkaista käyttämällä IPv6:tta. Network Layer 4-113

114 NAT traversal problem client wants to connect to server with address server address local to client LAN (client can t use it as destination addr) only one externally visible NATed address: solution1: statically configure NAT to forward incoming connection requests at given port to server ? NAT router e.g., ( , port 2500) always forwarded to port Network Layer 4-114

115 NAT: kulkuongelma käyttäjä haluaa yhdistää palvelimeen osoitteella palvelinosoite paikallisessa LAN-verkossa (käyttäjä ei voi käyttää sitä kohdeosoitteena) vain yksi ulospäin näkyvä NATosoite:: ratkaisu1: staattisesti määrittää NAT:n yhdistämään tulevat yhteyspyynnöt tietylle palvelimen portille: käyttäjä? NAT reititin esim., ( , portti 2500) aina ohjattuna osoitteeseen porttiin Network Layer 4-115

116 NAT traversal problem solution 2: Universal Plug and Play (UPnP) Internet Gateway Device (IGD) Protocol. Allows NATed host to: learn public IP address ( ) add/remove port mappings (with lease times) IGD NAT router i.e., automate static NAT port map configuration Network Layer 4-116

117 NAT:kulkuongelma ratkaisu 2: Universal Plug and Play (UPnP) Internet Gateway Device (IGD) -protokolla. Sallii NAT:oidun palvelimen oppia julkisen IP osoitteen ( ) lisätä/poistaa porttien kartoituksen (liisatulla ajalla) IGD NAT router toisin sanoen, automaattinen staattinen NAT porttikartan kokoonpano Network Layer 4-117

118 NAT traversal problem solution 3: relaying (used in Skype) NATed client establishes connection to relay external client connects to relay relay bridges packets between to connections 2. connection to relay initiated by client client 3. relaying established 1. connection to relay initiated by NATed host NAT router Network Layer 4-118

119 NAT:kulkuongelma ratkaisu 3: välitys(skypen käytössä) NAT:oitu käyttäjä avaa yhteyden välittäjään ulkoinen käyttäjä yhdistää välittäjään välittäjä tarjoaa sillan paketeille yhteyksien välille 2. yhteyspyyntö välittäjälle käyttäjältä client 3. välitys perustettu 1. yhteyspyyntö välittäjälle NATkäyttäjältä NAT reititin Network Layer 4-119

121 ICMP: internet control message protocol used by hosts & routers to communicate network-level information error reporting: unreachable host, network, port, protocol echo request/reply (used by ping) network-layer above IP: ICMP msgs carried in IP datagrams ICMP message: type, code plus first 8 bytes of IP datagram causing error Type Code description echo reply (ping) dest. network unreachable dest host unreachable dest protocol unreachable dest port unreachable dest network unknown dest host unknown source quench (congestion control - not used) echo request (ping) route advertisement router discovery TTL expired bad IP header Network Layer 4-121

122 ICMP: internetin viestinhallinta protokolla palvelimet ja reitittimet käyttää kommunikoidakseen verkkotason informaatiota virhe raportoidessa: saavuttamaton palvelin, verkko tai protokolla toista pyyntö/vastaus ( ping käyttää) verkkokerros IP:n yläpuolella : ICMP viestit kulkevat IP datagrammeissa ICMP viesti: tyyppi, koodi ja ensimmäiset 8 virheen aiheuttavaa tavua IP Tyyppi Koodi kuvaus 0 0 toista vastaus (ping) 3 0 kohde verkkoon ei yht. 3 1 kohdepalvelimelle ei yht. 3 2 kohdeprotokollaan ei yht. 3 3 kohdeporttiin ei yht. 3 6 kohdeverkko tuntematon 3 7 kohdepalvelin tuntematon 4 0 lähde sammutettu (ruuhkanhallinta- ei käytössä) 8 0 toista pyyntö (ping) 9 0 reitin mainostaminen 10 0 reititin havaittu 11 0 TTL umpeutui 12 0 epäkelpo IP:n headeri Network Layer 4-122

123 Traceroute and ICMP source sends series of UDP segments to dest first set has TTL =1 second set has TTL=2, etc. unlikely port number when nth set of datagrams arrives to nth router: router discards datagrams and sends source ICMP messages (type 11, code 0) ICMP messages includes name of router & IP address 3 probes when ICMP messages arrives, source records RTTs stopping criteria: UDP segment eventually arrives at destination host destination returns ICMP port unreachable message (type 3, code 3) source stops 3 probes 3 probes Network Layer 4-123

124 Reitin jäljitys ja ICMP lähde lähettää sarjan UDP segmenttejä määränpäähän ensimmäinen sarja, TTL =1 toinen sarja, TTL=2, jne. epätodennäköinen portin numero kun n:s sarja datagrammeja saapuu n: lle reitittimelle reititin hylkää datagrammit ja lähettää lähteelle ICMP viestejä (tyyppi 11, koodi 0) - 3 kokeilua 3 kokeilua icmp viesteihin kuuluu reitittimen nimi3kokeilua ja ip osoite kun ICMP viestit saapu, lähde tallettaa RTT:t pysäytyskriteerit: UDP segmentti saapuu lopulta kohdepalvelimelle kohde palauttaa ICMPviestin porttiin ei yhteyttä (tyyppi 3, koodi 3) lähde pysähtyy Network Layer 4-124

125 IPv6: motivation initial motivation: 32-bit address space soon to be completely allocated. additional motivation: header format helps speed processing/forwarding header changes to facilitate QoS IPv6 datagram format: fixed-length 40 byte header no fragmentation allowed Network Layer 4-125

126 IPv6: motivaatio varsinainen motivaatio: 32-bittinen osoiteavaruus kohta kokonaan allokoitu lisämotivaatio: headerin formaatti auttaa nopeaa prosessointia/ohjaamista headeri vaihtuu helpottamaan QoS:ää IPv6 datagrammin formaatti: määrätynpituinen 40 tavuinen headeri freagmentointia ei sallittu Network Layer 4-126

127 IPv6 datagram format priority: identify priority among datagrams in flow flow Label: identify datagrams in same flow. (concept of flow not well defined). next header:ver identify upper layer protocol for pri flow label data hop limit payload len next hdr source address (128 bits) destination address (128 bits) data 32 bits Network Layer 4-127

128 IPv6 datagrammin formaatti prioriteetti: identifioidaan prioriteetti datagrammien kesken virrassa virran Merkki: identifioidaan datagrammit samasa virrassa ( virran konsepti ei hyvin määritelty) seuraava headeri: identifioidaan ylemmän kerroksen protovahv prior virran merkki hyppyraja lastin pituus seur. hdr kolla datalle lähdeosoite (128 bittiä) kohdeosoite (128 bits) data 32 bittiä Network Layer 4-128

129 Other changes from IPv4 checksum: removed entirely to reduce processing time at each hop options: allowed, but outside of header, indicated by Next Header field ICMPv6: new version of ICMP additional message types, e.g. Packet Too Big multicast group management functions Network Layer 4-129

130 Muut muutokset IPv4:stä summatarkistus: poistettu kokonaan vähentääkseen ajankäyttöä joka hypyssä valinnat: sallittu, mutta headerin ulkopuolella, merkitty seuraava headeri -kentällä. ICMPv6: uusi versio ICMP:stä lisää viestityyppejä, esim. liian iso paketti. ryhmälähetykseen ryhmänhallintatoimintoja Network Layer 4-130

131 Transition from IPv4 to IPv6 not all routers can be upgraded simultaneously no flag days how will network operate with mixed IPv4 and IPv6 routers? tunneling: IPv6 datagram carried as payload in IPv4 datagram among IPv4 routers IPv4 header fields IPv4 source, dest addr IPv6 header fields IPv6 source dest addr UDP/TCP payload IPv4 payload IPv6 datagram IPv4 datagram Network Layer 4-131

132 Siirtyminen IPv4:stä IPv6:n kaikkia reitittimiä ei voida päivittää yhtaikaa ei liputuspäiviä kuinka verkko operoi sekä IPv4 että IPv6 reitittimien kanssa? tunnelointi: IPv6 datagrammi siirretään lastina IPv4 datagrammissa IPv4 reitimmien välillä IPv4 headerikenttiä IPv4 lähde, kohde os. IPv6 headerikenttiä IPv6 lähde, kohde os. UDP/TCP lasti IPv4 lasti IPv6 datagrammi IPv4 datagrammi Network Layer 4-132

133 Tunneling IPv4 tunnel connecting IPv6 routers A B IPv6 IPv6 A B C IPv6 IPv6 IPv4 logical view: E F IPv6 IPv6 D E F IPv4 IPv6 IPv6 physical view: Network Layer 4-133

134 Tunnelointi looginen näkymä: fyysinen näkymä: IPv4 tunneli yhdistää IPv6 reitittimet A B IPv6 IPv6 A B C IPv6 IPv6 IPv4 E F IPv6 IPv6 D E F IPv4 IPv6 IPv6 Network Layer 4-134

135 Tunneling IPv4 tunnel connecting IPv6 routers A B IPv6 IPv6 A B C IPv6 IPv6 IPv4 logical view: E F IPv6 IPv6 D E F IPv4 IPv6 IPv6 physical view: flow: X src: A dest: F data A-to-B: IPv6 src:b dest: E src:b dest: E Flow: X Src: A Dest: F Flow: X Src: A Dest: F data data B-to-C: IPv6 inside IPv4 B-to-C: IPv6 inside IPv4 flow: X src: A dest: F data E-to-F: IPv6 Network Layer 4-135

136 Tunnelointi looginen näkymä: IPv4 tunneli yhdistää IPv6 reitittimet A B IPv6 IPv6 A B C IPv6 IPv6 IPv4 E F IPv6 IPv6 D E F IPv4 IPv6 IPv6 physical view: virta: X lähde: A kohde: F,data A->B: IPv6 lähde:b kohde: E virta: X lähde: A kohde: F data B->C: IPv6 IPv4:n sisällä lähde:b kohde: E virta: X lähde: A kohde: F data D->E: IPv6 IPv4:n sisällä virta: X lähde: A kohde: F,data E->F: IPv6 Network Layer 4-136

137 IPv6: adoption US National Institutes of Standards estimate [2013]: ~3% of industry IP routers ~11% of US gov t routers Long (long!) time for deployment, use 20 years and counting! think of application-level changes in last 20 years: WWW, Facebook, Why? Network Layer 4-137

138 IPv6: adoptointi USA:n kansallinen standardien instituutti arvioi v. 2013: ~3% of teollisuuden IP reitittimistä ~11% of USA:n hallinnon reitittimistä Pitkä (pitkä!) aika käyttöönotolle, käytössä 20 vuotta ja lisää tulee! ajattele sovellustason muutoksia viimeisen 20 vuoden aikana: WWW, Facebook, Miksi? Network Layer 4-138

140 Interplay between routing, forwarding routing algorithm determines end-end-path through network routing algorithm local forwarding table dest address output link address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range 4 forwarding table determines local forwarding at this router IP destination address in arriving packet s header Network Layer 4-140

141 Vuorovaikutus reitityksen ja uudelleenlähetyksen välillä reititysalgoritmi päättää endend polun läpi verkon reititys algoritmi local forwarding table dest address output link address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range 4 Ip kohde osoite saapuvan paketin otsikossa uudelleenlähetys taulu päättää paikallisen uudelleenlähetyksen tässä reitittimessä Network Layer 4-141

142 Graph abstraction 5 2 u 2 1 graph: G = (N,E) v x 3 w z 1 y 2 N = set of routers = { u, v, w, x, y, z } E = set of links ={ (u,v), (u,x), (v,x), (v,w), (x,w), (x,y), (w,y), (w,z), (y,z) } aside: graph abstraction is useful in other network contexts, e.g., P2P, where N is set of peers and E is set of TCP connections Network Layer 4-142

143 Graafi abstraktio 5 2 u 2 1 graph: G = (N,E) v x 3 w z 1 y 2 N = set of routers = { u, v, w, x, y, z } E = set of links ={ (u,v), (u,x), (v,x), (v,w), (x,w), (x,y), (w,y), (w,z), (y,z) } huomatus: graafi abstraktio on käytännöllinens eri verkko konteksteissa, e.g., P2P, missä N on ryhmä peereille and E on ryhmä TCPyhteyksille Network Layer 4-143

144 Graph abstraction: costs 5 2 u v 2 1 x 3 w 3 1 c(x,x ) = cost of link (x,x ) e.g., c(w,z) = 5 5 z 1 y 2 cost could always be 1, or inversely related to bandwidth, or inversely related to congestion cost of path (x1, x2, x3,, xp) = c(x1,x2) + c(x2,x3) + + c(xp-1,xp) key question: what is the least-cost path between u and z? routing algorithm: algorithm that finds that least cost path Network Layer 4-144

145 Graafi abstraktio: hinnat 5 2 u v 2 1 x 3 w 3 1 c(x,x ) = linkin hinta(x,x ) e.g., c(w,z) = 5 5 z 1 y 2 hinta voisi aina olla 1 tai käänteisesti kaistanleveyteen liittyvä tai käänteisesti ruuhkaan liittyvä polun hinta(x1, x2, x3,, xp) = c(x1,x2) + c(x2,x3) + + c(xp-1,xp) avain kysymys: Mikä on pienin hinta polku u:n ja z:n välillä? reititys algoritmi: algoritmi joka löytää pienimmän hinnan polun Network Layer 4-145

146 Routing algorithm classification Q: global or decentralized information? global: all routers have complete topology, link cost info link state algorithms decentralized: router knows physicallyconnected neighbors, link costs to neighbors iterative process of computation, exchange of info with neighbors distance vector algorithms Q: static or dynamic? static: routes change slowly over time dynamic: routes change more quickly periodic update in response to link cost changes Network Layer 4-146

147 Reititysalgoritmin luokittelu Q:globaali vai hajasijoitettu informaatio? globaali: kaikilla reitittimillä on valmis topologia, linkin hinta info link state algoritmit hajautettu: reititin tietää fyysisesti yhteydessä olevat naapuris, linkki maksaa naapureille laskennan iteratiivinen prosessi, vaihtaa tietoa naapureiden kanssa distance vector algoritmit Q: staattinen vai dynaaminen staattinen: reitittimet vaihtuvat hitaasti ajan kuluessa dynaaminenc: reitittimet muuttuvat nopeammin jaksollinen päivitys vastauksena linkille maksu muuttuu Network Layer 4-147

149 A Link-State Routing Algorithm Dijkstra s algorithm net topology, link costs known to all nodes accomplished via link state broadcast all nodes have same info computes least cost paths from one node ( source ) to all other nodes gives forwarding table for that node iterative: after k iterations, know least cost path to k dest. s notation: c(x,y): link cost from node x to y; = if not direct neighbors D(v): current value of cost of path from source to dest. v p(v): predecessor node along path from source to v N': set of nodes whose least cost path definitively known Network Layer 4-149

150 Linkki-tila reititys algoritmi Dijkstra s algoritmi netto topology, linkki hinta tunnettu kaikille solmuolle suoritettuvia link state broadcast kaikilla solmuilla sama info arvio pienin hinta polun yhdestä solmusta (source) kaikkiin notaatio: c(x,y): linkki maksaa solmulta x to y; = jos ei suoria naapureita D(v): nykyinen hinnan arvo lähteeltä kohteelle v p(v): edellinen solmu polulla to lähteeltä v:lle N': ryhmä solmuja joiden pienin hinta polku on varmasti tiedossa antaa uudelleenlähetys taulun sille solmulle iteratiivinen: k jälkeen iteraatiot, tietää Network Layer 4-150

151 Dijsktra s Algorithm 1 Initialization: 2 N' = {u} 3 for all nodes v 4 if v adjacent to u 5 then D(v) = c(u,v) 6 else D(v) = 7 8 Loop 9 find w not in N' such that D(w) is a minimum 10 add w to N' 11 update D(v) for all v adjacent to w and not in N' : 12 D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) ) 13 /* new cost to v is either old cost to v or known 14 shortest path cost to w plus cost from w to v */ 15 until all nodes in N' Network Layer 4-151

152 Dijsktra s Algoritmi 1 Alustaminen: 2 N' = {u} 3 for all nodes v 4 if v adjacent to u 5 then D(v) = c(u,v) 6 else D(v) = 7 8 Looppi 9 find w not in N' such that D(w) is a minimum 10 add w to N' 11 update D(v) for all v adjacent to w and not in N' : 12 D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) ) 13 /* new cost to v is either old cost to v or known 14 shortest path cost to w plus cost from w to v */ 15 kunnes kaikki solmut in N' Network Layer 4-152

153 Dijkstra s algorithm: example D(v) D(w) D(x) D(y) D(z) Step N' p(v) p(w) p(x) u uw uwx uwxv uwxvy uwxvyz 7,u 6,w 6,w 3,u 5,u 5,u 11,w 11,w 14,x 10,v 14,x 12,y p(y) p(z) x notes: construct shortest path tree by tracing predecessor nodes ties can exist (can be broken arbitrarily) u w y 2 z v Network Layer 4-153

154 Dijkstra s algoritmi: esimerkki D(v) D(w) D(x) D(y) D(z) Step N' p(v) p(w) p(x) u uw uwx uwxv uwxvy uwxvyz 7,u 6,w 6,w 3,u 5,u 5,u 11,w 11,w 14,x 10,v 14,x 12,y p(y) p(z) x muistiinpanot: rakentaa lyhimmän polun puun jäljittämällä edeltäjänsä solmut tasapelejä voi olla (voi rikkoutua satunnaisesti) u w y 2 z v Network Layer 4-154

155 Dijkstra s algorithm: another example Step N' u ux uxy uxyv uxyvw uxyvwz D(v),p(v) D(w),p(w) 2,u 5,u 2,u 4,x 2,u 3,y 3,y D(x),p(x) 1,u D(y),p(y) 2,x D(z),p(z) 4,y 4,y 4,y 5 2 u v 2 1 x 3 w z 1 y 2 Network Layer 4-155

156 Dijkstra s algoritmi: toinen esimerkki Step N' u ux uxy uxyv uxyvw uxyvwz D(v),p(v) D(w),p(w) 2,u 5,u 2,u 4,x 2,u 3,y 3,y D(x),p(x) 1,u D(y),p(y) 2,x D(z),p(z) 4,y 4,y 4,y 5 2 u v 2 1 x 3 w z 1 y 2 Network Layer 4-156

157 Dijkstra s algorithm: example (2) resulting shortest-path tree from u: v w u z x y resulting forwarding table in u: destination link v x (u,v) (u,x) y (u,x) w (u,x) z (u,x) Network Layer 4-157

158 Dijkstra s algoritmi: esimerkki (2) tuloksena lyhin-polku puu u: v w u z x y tuloksena uudelleenlähetys taulu destination link u: (u,v) v x (u,x) y (u,x) w (u,x) z (u,x) Network Layer 4-158

159 Dijkstra s algorithm, discussion algorithm complexity: n nodes each iteration: need to check all nodes, w, not in N n(n+1)/2 comparisons: O(n2) more efficient implementations possible: O(nlogn) oscillations possible: e.g., support link cost equals amount of carried traffic: A 1 D 1 B e C e initially D A 0 C 0 B 1+e e 2+e 0 given these costs, find new routing. resulting in new costs D A 0 1 C 2+e B 0 1+e given these costs, find new routing. resulting in new costs 2+e D A 0 B 1+e 1 0 C 0 given these costs, find new routing. resulting in new Network Layer costs

160 Dijkstra s algoritmi, keskustelu algoritmin kompeksisuus: n solmua jokainen iteraatio:pitää tsekata kaikki solmut, w, ei ole N:ssä n(n+1)/2 vertailut: O(n2) tehokkaampi implementointi mahdollinen: O(nlogn) oskillaatiot mahdollisia: e.g.,linkin tuki cost vastaa kuljetun ruuhkan määrä : A 1 D 1 B e C e aluksi D A 0 C 0 B 1+e e 2+e 0 annettu näille costeille, etsi uusi reititys. tuloksena uusia D A 0 1 C 2+e B 0 1+e annettu näille costeille, etsi uusi reititys. tuloksena uusia 2+e D A 0 B 1+e 1 0 C 0 annettu näille costeille, etsi uusi reitiys Network Layeruusia tuloksena

162 Distance vector algorithm Bellman-Ford equation (dynamic programming) let dx(y) := cost of least-cost path from x to y then dx(y) = min {c(x,v) + dv(y) } v cost from neighbor v to destination y cost to neighbor v min taken over all neighbors v of x Network Layer 4-162

163 Etäisyysvektori algoritmi Bellman-Ford yhtälö (dynaaminen ohjelmointi) let dx(y) := viimeisin hinta-polun hinta x:stä y:hyn sitten dx(y) = min {c(x,v) + dv(y) } v naapurin hinta v määränpäähän y naapurin hinta min ottanut kaikki naapurit haltuu v of x Network Layer 4-163

164 Bellman-Ford example 5 2 u v 2 1 x 3 w 3 1 clearly, dv(z) = 5, dx(z) = 3, dw(z) = 3 5 z 1 y 2 B-F equation says: du(z) = min { c(u,v) + dv(z), c(u,x) + dx(z), c(u,w) + dw(z) } = min {2 + 5, 1 + 3, 5 + 3} = 4 node achieving minimum is next hop in shortest path, used in forwarding table Network Layer 4-164

165 Bellman-Ford esimerkki 5 2 u v 2 1 x 3 w z 1 y 2 selvästi, dv(z) = 5, dx(z) = 3, dw(z) = 3 B-F yhtälö kertoo: du(z) = min { c(u,v) + dv(z), c(u,x) + dx(z), c(u,w) + dw(z) } = min {2 + 5, 1 + 3, 5 + 3} = 4 solmu saavuttaa minimin seuraavalla lyhimmällä polulla, käytettynä välittäjäpöydällä Network Layer 4-165

166 Distance vector algorithm Dx(y) = estimate of least cost from x to y x maintains distance vector Dx = [Dx(y): y є N ] node x: knows cost to each neighbor v: c(x,v) maintains its neighbors distance vectors. For each neighbor v, x maintains Dv = [Dv(y): y є N ] Network Layer 4-166

167 Etäisyysvektori algoritmi Dx(y) = arvioidaan pienin hinta x:stä y:hyn x ylläpitää etäisyysvektoria Dx = [Dx(y): y є N ] solmu x: tietää jokaisen naapurin hinnan v: c(x,v) ylläpitää naapureiden etäisyysvektoreita, jossa jokainen naapuri v, x ylläpitää Dv = [Dv(y): y є N ] Network Layer 4-167

168 Distance vector algorithm key idea: from time-to-time, each node sends its own distance vector estimate to neighbors when x receives new DV estimate from neighbor, it updates its own DV using B-F equation: Dx(y) minv{c(x,v) + Dv(y)} for each node y N under minor, natural conditions, the estimate Dx (y) converge to the actual least cost dx(y) Network Layer 4-168

169 Etäisyysvektorialgoritmi pääidea: ajoittain, jokainen solmu lähettää oman etäisyysvektorinsa arvion naapureilleen kun x vastaanottaa uuden DV arvion naapurilta, se päivittää oman DV käyttäen B-F yhtälöä: Dx(y) minv{c(x,v) + Dv(y)} for each node y N vähäpätöisissä olosuhteissa, arvio Dx(y) konvergoituu oikeaan vähimpään hintaan dx(y) Network Layer 4-169

170 Distance vector algorithm iterative, asynchronous: each local iteration caused by: local link cost change DV update message from neighbor distributed: each node notifies neighbors only when its DV changes neighbors then notify their neighbors if necessary each node: wait for (change in local link cost or msg from neighbor) recompute estimates if DV to any dest has changed, notify neighbors Network Layer 4-170

171 Etäisyysvektorialgoritmi iteratiivinen, asynkroninen: jokainen itearaatio aiheutuu: paikallinen linkki maksaa DV päivittää viestin naapureille jaettu: jokainen solmu tiedottaa naapuria kun DV vaihtuu naapurit tiedottavat naapureitaan jos on tarpeen jokainen solmu: odottaa (paikallisen linkin maksun vaihtumista tai viestiä naapurilta) uudelleenlaskee arviot Jos DV mille tahansa määränpäälle muuttuu, tiedota naapureille Network Layer 4-171

172 Dx(y) = min{c(x,y) + Dy(y), c(x,z) + Dz(y)} = min{2+0, 7+1} = 2 cost to cost to x y z x y z x y z from from node x table x y z Dx(z) = min{c(x,y) + Dy(z), c(x,z) + Dz(z)} = min{2+1, 7+0} = 3 from node y cost to table x y z x y z node z table x y z from 2 x y 7 1 z cost to x y z time Network Layer 4-172

173 Dx(y) = min{c(x,y) + Dy(y), c(x,z) + Dz(y)} = min{2+0, 7+1} = 2 cost to cost to x y z x y z x y z from from node x table x y z Dx(z) = min{c(x,y) + Dy(z), c(x,z) + Dz(z)} = min{2+1, 7+0} = 3 from node y cost to table x y z x y z node z table x y z from 2 x y 7 1 z cost to x y z time Network Layer 4-173

174 Dx(y) = min{c(x,y) + Dy(y), c(x,z) + Dz(y)} = min{2+0, 7+1} = 2 cost to cost to cost to x y z x y z x y z x y z from x y z from from node x table x y z x y z x y z x y z x y z x y z from from cost to cost to x y z x y z x y z cost to 2 x y 7 1 z cost to x y z from from cost to from from node y cost to table x y z node z table x y z Dx(z) = min{c(x,y) + Dy(z), c(x,z) + Dz(z)} = min{2+1, 7+0} = 3 x y z time Network Layer 4-174

175 Dx(y) = min{c(x,y) + Dy(y), c(x,z) + Dz(y)} = min{2+0, 7+1} = 2 cost to cost to cost to x y z x y z x y z x y z from x y z from from node x table x y z x y z x y z x y z x y z x y z from from cost to cost to x y z x y z x y z cost to 2 x y 7 1 z cost to x y z from from cost to from from node y cost to table x y z node z table x y z Dx(z) = min{c(x,y) + Dy(z), c(x,z) + Dz(z)} = min{2+1, 7+0} = 3 x y z time Network Layer 4-175

176 Distance vector: link cost changes link cost changes: node detects local link cost change updates routing info, recalculates distance vector if DV changes, notify neighbors good news travel s fast 1 4 x y 1 z 50 t0 : y detects link-cost change, updates its DV, informs its neighbors. t1 : z receives update from y, updates its table, computes new least cost to x, sends its neighbors its DV. t2 : y receives z s update, updates its distance table. y s least costs do not change, so y does not send a message to z. Network Layer 4-176

177 Etäisyysvektori: linkin vaihto maksaa linkin vaihto maksaa: 1 y solmuu huomaa paikallisen linkin 4 1 vaihtuneen x z 50 päivittää reititysinfon, uudelleenlaskee etäisyysvektorin Jos DV vaihtuu, ilmoita naapureille t0 : y huomaa linkin vaihdon maksun, päivittää oman DV:n, hyvä ilmoittaa naapureille. t t1 : z vastaanottaa päivityksen y:ltä, päivittää pöytänsä, laskee uutise pienimmän uuden maksun x:lle, lähettää naapureilleen DV: t nsä. matka t2 : y vastaanottaa z:n päivityksen, päivittää pöytänsä. y:n pienin avat maksu ei muutu, joten y:n ei tarvitse viestiä z:lle. nopea sti Network Layer 4-177

178 Distance vector: link cost changes link cost changes: node detects local link cost change bad news travels slow - count to infinity problem! 44 iterations before algorithm stabilizes: see text 60 4 x y 50 1 z poisoned reverse: If Z routes through Y to get to X : Z tells Y its (Z s) distance to X is infinite (so Y won t route to X via Z) will this completely solve count to infinity problem? Network Layer 4-178

179 Etäisyysvektori: linkin vaihto maksaa linkin vaihto maksaa: solmu huomaa paikallisen linkin vaihtuneen huonot uutiset matkaavat hitaasti laske äärettömään ongelma! 44 iteraatiota ennenkuin algoritmi stabiloituu, katso teksti 60 4 x y 1 z 50 myrkytetty kääntöpuoli: If Z reitittää Y:n kautta päästäkseen X:lle: Z kertoo Y:lle etäisyytensä X:n olevan ääretön (joten Y ei reititä X:lle Z:n kautta) Onko tässä ratkaisu äärettömyys-ongelmaan? Network Layer 4-179

180 Comparison of LS and DV algorithms message complexity LS: with n nodes, E links, O(nE) msgs sent DV: exchange between neighbors only convergence time varies speed of convergence LS: O(n2) algorithm requires O (ne) msgs may have oscillations DV: convergence time varies may be routing loops count-to-infinity problem robustness: what happens if router malfunctions? LS: node can advertise incorrect link cost each node computes only its own table DV: DV node can advertise incorrect path cost each node s table used by others error propagate thru network Network Layer 4-180

181 Vertailu LS ja DV algoritmeille viestin monimutkaisuus LS: n solmua, E linkittää, O(nE) viestejä lähetetty DV: vaihto vain naapureiden kesken konversioaika vaihtelee konversion nopeus LS: O(n2) algoritmia vaatii O(nE) viestiä voi olla oskillaatioita DV: konversioaika vaihtelee voi olla reitityslooppeja laske äärettömään-ongelma jykevyys: entä jos reititys reistailee? LS: solmu voi mainostaa väärää linkkimaksua jokainen solmu laskee oman pöytänsä DV: DV solmu voi mainostaa väärää polun hintaa jokaisen solmun pöydän käyttö muille virhe leviää verkossa Network Layer 4-181

183 Hierarchical routing our routing study thus far - idealization all routers identical network flat not true in practice scale: with 600 million destinations: can t store all dest s in routing tables! routing table exchange would swamp links! administrative autonomy internet = network of networks each network admin may want to control routing in its own network Network Layer 4-183

184 Hierarkkinen reititys reititysopiskelu tähänasti - idointi kaikki reitittimet identtisiä verkko lättä ei totta käytännössä skaala: 600 miljoonalla määränpäällä: ei voi varastoida kaikkia etäisyyksiä reitittimelle! reititinpöytä vaihdot hukuttaisivat linkit! hallintoautonomia internet = verkkojen verkko jokainen verkon hallitsija haluaa hallita reititystä omassa verkossaan Network Layer 4-184

185 Hierarchical routing aggregate routers into regions, autonomous systems (AS) routers in same AS run same routing protocol gateway router: at edge of its own AS has link to router in another AS intra-as routing protocol routers in different AS can run different intra-as routing protocol Network Layer 4-185

186 Hierarchical routing liitä reitittimet alueihin, autonomisiin systeemeihin (AS) reitittimet samassa AS käyttävät samaa protokollaa yhdyskäytävä reititin: reunalla omasta AS:tään on linkki toiseen AS:ään intra-as reititys protokolla reitittimet eri AS voivat käyttää intraas reititysprotokollaa Network Layer 4-186

187 Interconnected ASes 3c 3a 3b AS3 2a 1c 1a 1d 2c 2b AS2 1b AS1 Intra-AS Routing algorithm Inter-AS Routing algorithm Forwarding table forwarding table configured by both intraand inter-as routing algorithm intra-as sets entries for internal dests inter-as & intra-as sets entries for external dests Network Layer 4-187

188 Yhdistetyt AS:ät 3c 3a 3b AS3 2a 1c 1a 1d 2c 2b AS2 1b AS1 Intra-AS Routing algorithm Inter-AS Routing algorithm Forwarding table välittäjä pöytä sekä intraja inter-as reititysalgoritmit intra-as asettaa pääsyjä sisäisille etäisyyksille inter-as & intra-as sets pääsyjä ulkoisille etäisyyksille Network Layer 4-188

189 Inter-AS tasks suppose router in AS1 receives datagram destined outside of AS1: router should forward packet to gateway router, but which one? AS1 must: 1. learn which dests are reachable through AS2, which through AS3 2. propagate this reachability info to all routers in AS1 job of inter-as routing! 3c 3b other networks 3a AS3 2c 1c 1a AS1 1d 2a 1b 2b other networks AS2 Network Layer 4-189

190 Inter-AS tehtävät oletetaan reititin AS1 vastaanottaa datagrammin AS1 ulkopuolella: reitittimen pitäisi välittää paketti yhdyskäytävää pitkin reitittimelle, mille? AS1 pitää: 1. opetella mitkä sen etäisyyksistä ovat saavutettavissa AS2, AS3:n avulla 2. levittää tätä saavutettavuuden infoa kaikille AS1 reitittimille inter-as reitityksen työ! 3c 3b other networks 3a AS3 2c 1c 1a AS1 1d 2a 1b 2b other networks AS2 Network Layer 4-190

191 Example: setting forwarding table in router 1d suppose AS1 learns (via inter-as protocol) that subnet x reachable via AS3 (gateway 1c), but not via AS2 inter-as protocol propagates reachability info to all internal routers router 1d determines from intra-as routing info that its interface I is on the least cost path to 1c installs forwarding table entry (x,i) 3c 3b other networks x 3a AS3 2c 1c 1a AS1 1d 2a 1b 2b other networks AS2 Network Layer 4-191

192 Esimerkki: välittäjäpöydän asetus reitittimessä 1d oletetaan AS1 oppii (nter-as protokollalta) että subnetti x on saavutettavissa AS3n avulla (yhdyskäytävä 1c), mutta ei AS2 inter-as protocol propagates reachability info to all internal reitittimissä reititin 1d määrittelee intra-as reitityksen infon rajapinnallaan I on vähin hinta 1c:lle installoi välittävän pöydän pääsyn (x,i) 3c 3b other networks x 3a AS3 2c 1c 1a AS1 1d 2a 1b 2b other networks AS2 Network Layer 4-192

193 Example: choosing among multiple ASes now suppose AS1 learns from inter-as protocol that subnet x is reachable from AS3 and from AS2. to configure forwarding table, router 1d must determine which gateway it should forward packets towards for dest x this is also job of inter-as routing protocol! 3c 3b other networks x 3a AS3 2c 1c 1a AS1 1d 2a 1b 2b other networks AS2? Network Layer 4-193

194 Esimerkki: valinta monesta AS:stä nyt oleta, että AS1 oppii sen inter-as protokollalta että subnetti x on saavutettavissa AS3:lta ja AS2:lta. välittäjäpöydän konfigurointiin, reitittimen 1d on määriteltävä minkä yhdystkäytävän kautta se välittää paketin etäisyys x tämäkin on työtä inter-as reititysprotokollalle! 3c 3b other networks x 3a AS3 2c 1c 1a AS1 1d 2a 1b 2b other networks AS2? Network Layer 4-194

195 Example: choosing among multiple ASes now suppose AS1 learns from inter-as protocol that subnet x is reachable from AS3 and from AS2. to configure forwarding table, router 1d must determine towards which gateway it should forward packets for dest x this is also job of inter-as routing protocol! hot potato routing: send packet towards closest of two routers. learn from inter-as protocol that subnet x is reachable via multiple gateways use routing info from intra-as protocol to determine costs of least-cost paths to each of the gateways hot potato routing: choose the gateway that has the smallest least cost determine from forwarding table the interface I that leads to least-cost gateway. Enter (x,i) in forwarding table Network Layer 4-195

196 Esimerkki: valinta monesta ASstä nyt oleta AS1 oppii sen inter-as protokollalta että subnetti x on saavutettavissa AS3:lta ja AS2:lta. välittäjäpöydän konfigurointiin, reitittimen 1d on määriteltävä minkä yhdystkäytävän kautta se välittää paketin etäisyys x tämäkin on työtä inter-as reititysprotokollalle! kuuma peruna reititys: lähetä paketti kohti lähintä kahta reititintä. Opi inter-as protokollaltal että subnetti x on saavutettavissa monesta yhdyskäytävästä käytä reititysinfoa infoa intra-as protokollalta vähiten maksavat polut yhdyskäytäviltä kuuma peruna reititys: valitse halvin yhdyskäytävä määrittele välittäjäpöydältä rajapinta I joka johtaa halvimpaan yhdyskäytävään Lyö (x,i) välittäjäpöydälle Network Layer 4-196

198 Intra-AS Routing also known as interior gateway protocols (IGP) most common intra-as routing protocols: RIP: Routing Information Protocol OSPF: Open Shortest Path First IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (Cisco proprietary) Network Layer 4-198

199 RIP ( Routing Information Protocol) included in BSD-UNIX distribution in 1982 distance vector algorithm distance metric: # hops (max = 15 hops), each link has cost 1 DVs exchanged with neighbors every 30 sec in response message (aka advertisement) each advertisement: list of up to 25 destination subnets (in IP addressing sense) u v A z C B w x D y from router A to destination subnets: subnet hops u 1 v 2 w 2 x 3 y 3 z 2 Network Layer 4-199

200 RIP: example z w A x y D B C routing table in router D destination subnet next router w y z x A B B # hops to dest Network Layer 4-200

201 RIP: example A-to-D advertisement dest next hops w 1 x 1 z C w A x z y B D C routing table in router D destination subnet next router w y z x A B B # hops to dest A 5 Network Layer 4-201

202 RIP: link failure, recovery if no advertisement heard after 180 sec --> neighbor/link declared dead routes via neighbor invalidated new advertisements sent to neighbors neighbors in turn send out new advertisements (if tables changed) link failure info quickly (?) propagates to entire net poison reverse used to prevent ping-pong loops (infinite distance = 16 hops) Network Layer 4-202

203 RIP table processing RIP routing tables managed by application-level process called route-d (daemon) advertisements sent in UDP packets, periodically repeated routed routed transport (UDP) network (IP) link physical transprt (UDP) forwarding table forwardin g table network (IP) link physical Network Layer 4-203

204 OSPF (Open Shortest Path First) open : publicly available uses link state algorithm LS packet dissemination topology map at each node route computation using Dijkstra s algorithm OSPF advertisement carries one entry per neighbor advertisements flooded to entire AS carried in OSPF messages directly over IP (rather than TCP or UDP IS-IS routing protocol: nearly identical to OSPF Network Layer 4-204

205 OSPF advanced features (not in RIP) security: all OSPF messages authenticated (to prevent malicious intrusion) multiple same-cost paths allowed (only one path in RIP) for each link, multiple cost metrics for different TOS (e.g., satellite link cost set low for best effort ToS; high for real time ToS) integrated uni- and multicast support: Multicast OSPF (MOSPF) uses same topology data base as OSPF hierarchical OSPF in large domains. Network Layer 4-205

206 Hierarchical OSPF boundary router backbone router backbone area border routers area 3 internal routers area 1 area 2 Network Layer 4-206

207 Hierarchical OSPF two-level hierarchy: local area, backbone. link-state advertisements only in area each nodes has detailed area topology; only know direction (shortest path) to nets in other areas. area border routers: summarize distances to nets in own area, advertise to other Area Border routers. backbone routers: run OSPF routing limited to backbone. boundary routers: connect to other AS s. Network Layer 4-207

208 Internet inter-as routing: BGP BGP (Border Gateway Protocol): the de facto inter-domain routing protocol glue that holds the Internet together BGP provides each AS a means to: ebgp: obtain subnet reachability information from neighboring ASs. ibgp: propagate reachability information to all ASinternal routers. determine good routes to other networks based on reachability information and policy. allows subnet to advertise its existence to rest of Internet: I am here Network Layer 4-208

209 BGP basics BGP session: two BGP routers ( peers ) exchange BGP messages: advertising paths to different destination network prefixes ( path vector protocol) exchanged over semi-permanent TCP connections when AS3 advertises a prefix to AS1: AS3 promises it will forward datagrams towards that prefix AS3 can aggregate prefixes in its advertisement 3c 3b other networks 3a BGP message AS3 2c 1c 1a AS1 1d 2a 1b 2b other networks AS2 Network Layer 4-209

210 BGP basics: distributing path information using ebgp session between 3a and 1c, AS3 sends prefix reachability info to AS1. 1c can then use ibgp do distribute new prefix info to all routers in AS1 1b can then re-advertise new reachability info to AS2 over 1bto-2a ebgp session when router learns of new prefix, it creates entry for prefix in its forwarding table. ebgp session 3b other networks 3a AS3 ibgp session 2c 1c 1a AS1 1d 2a 1b 2b other networks AS2 Network Layer 4-210

211 Path attributes and BGP routes advertised prefix includes BGP attributes prefix + attributes = route two important attributes: AS-PATH: contains ASs through which prefix advertisement has passed: e.g., AS 67, AS 17 NEXT-HOP: indicates specific internal-as router to nexthop AS. (may be multiple links from current AS to nexthop-as) gateway router receiving route advertisement uses import policy to accept/decline e.g., never route through AS x policy-based routing Network Layer 4-211

212 BGP route selection router may learn about more than 1 route to destination AS, selects route based on: local preference value attribute: policy decision shortest AS-PATH closest NEXT-HOP router: hot potato routing additional criteria Network Layer 4-212

213 BGP messages BGP messages exchanged between peers over TCP connection BGP messages: OPEN: opens TCP connection to peer and authenticates sender UPDATE: advertises new path (or withdraws old) KEEPALIVE: keeps connection alive in absence of UPDATES; also ACKs OPEN request NOTIFICATION: reports errors in previous msg; also used to close connection Network Layer 4-213

214 Putting it Altogether: How Does an Entry Get Into a Router s Forwarding Table? Answer is complicated! Ties together hierarchical routing (Section 4.5.3) with BGP (4.6.3) and OSPF (4.6.2). Provides nice overview of BGP!

215 How does entry get in forwarding table? routing algorithms entry Assume prefix is in another AS. local forwarding table prefix output port / / /8 4.. Dest IP 1 3 2

216 How does entry get in forwarding table? High-level overview 1. Router becomes aware of prefix 2. Router determines output port for prefix 3. Router enters prefix-port in forwarding table

217 Router becomes aware of prefix 3c 3b other networks 3a BGP message AS3 2c 1c 1a AS1 1d 2a 1b 2b other networks AS2 BGP message contains routes route is a prefix and attributes: AS-PATH, NEXT-HOP, Example: route: Prefix: /22 ; AS-PATH: AS3 AS131 ; NEXT-HOP:

218 Router may receive multiple routes 3c 3b other networks 3a BGP message AS3 2c 1c 1a AS1 1d 2a 1b 2b AS2 Router may receive multiple routes for same prefix Has to select one route other networks

219 Select best BGP route to prefix Router selects route based on shortest ASPATH Example: selec AS2 AS17 to /22 t AS3 AS131 AS201 to /22 What if there is a tie? We ll come back to that!

220 Find best intra-route to BGP route Use selected route s NEXT-HOP attribute Route s NEXT-HOP attribute is the IP address of the router interface that begins the AS PATH. Example: AS-PATH: AS2 AS17 ; NEXT-HOP: Router uses OSPF to find shortest path from 1c to c 3b other networks 3a AS3 1c 1a AS1 1d b 2c 2a 2b AS2 other networks

221 Router identifies port for route Identifies port along the OSPF shortest path Adds prefix-port entry to its forwarding table: ( /22, port 4) router port 3c 3b other networks 3a AS3 2c 1 1c a AS1 1d 2a 1b 2b AS2 other networks

222 Hot Potato Routing Suppose there two or more best inter-routes. Then choose route with closest NEXT-HOP Use OSPF to determine which gateway is closest Q: From 1c, chose AS3 AS131 or AS2 AS17? A: route AS3 AS201 since it is closer 3c 3b other networks 3a AS3 2c 1c 1a AS1 1d 2a 1b 2b AS2 other networks

223 How does entry get in forwarding table? Summary 1. Router becomes aware of prefix 2. Determine router output port for prefix 3. via BGP route advertisements from other routers Use BGP route selection to find best inter-as route Use OSPF to find best intra-as route leading to best inter-as route Router identifies router port for that best route Enter prefix-port entry in forwarding table

224 BGP routing policy legend: B W X A C provider networ k customer network : Y A,B,C are provider networks X,W,Y are customer (of provider networks) X is dual-homed: attached to two networks X does not want to route from B via X to C.. so X will not advertise to B a route to C Network Layer 4-224

225 BGP routing policy (2) legend: B W X A C provider networ k customer network : Y A advertises path AW to B B advertises path BAW to X Should B advertise path BAW to C? No way! B gets no revenue for routing CBAW since neither W nor C are B s customers B wants to force C to route to w via A B wants to route only to/from its customers! Network Layer 4-225

226 Why different Intra-, Inter-AS routing? policy: inter-as: admin wants control over how its traffic routed, who routes through its net. intra-as: single admin, so no policy decisions needed scale: hierarchical routing saves table size, reduced update traffic performance: intra-as: can focus on performance inter-as: policy may dominate over performance Network Layer 4-226

228 Broadcast routing deliver packets from source to all other nodes source duplication is inefficient: duplicate duplicate creation/transmission R1 R1 duplicate R2 R2 R3 R4 source duplication R3 R4 in-network duplication source duplication: how does source determine recipient addresses? Network Layer 4-228

229 In-network duplication flooding: when node receives broadcast packet, sends copy to all neighbors problems: cycles & broadcast storm controlled flooding: node only broadcasts pkt if it hasn t broadcast same packet before node keeps track of packet ids already broadacsted or reverse path forwarding (RPF): only forward packet if it arrived on shortest path between node and source spanning tree: no redundant packets received by any node Network Layer 4-229

230 Spanning tree first construct a spanning tree nodes then forward/make copies only along spanning tree A A B B c c D F D E F G (a) broadcast initiated at A E G (b) broadcast initiated at D Network Layer 4-230

231 Spanning tree: creation center node each node sends unicast join message to center node message forwarded until it arrives at a node already belonging to spanning tree A A 3 B B c c 4 2 E F 1 D D F 5 E G (a) stepwise construction of spanning tree (center: E) G (b) constructed spanning tree Network Layer 4-231

232 Multicast routing: problem statement goal: find a tree (or trees) connecting routers having local mcast group members legend tree: not all paths between routers used shared-tree: same tree used by all group members source-based: different tree from each sender to rcvrs group member not group member router with a group member router without group member shared tree source-based trees Network Layer 4-232

233 Approaches for building mcast trees approaches: source-based tree: one tree per source shortest path trees reverse path forwarding group-shared tree: group uses one tree minimal spanning (Steiner) center-based trees we first look at basic approaches, then specific protocols adopting these approaches Network Layer 4-233

234 Shortest path tree mcast forwarding tree: tree of shortest path routes from source to all receivers Dijkstra s algorithm LEGEND s: source R1 1 2 R2 3 router with attached group member R4 5 4 R3 R6 router with no attached group member R5 6 R7 i link used for forwarding, i indicates order link added by algorithm Network Layer 4-234

235 Reverse path forwarding rely on router s knowledge of unicast shortest path from it to sender each router has simple forwarding behavior: if (mcast datagram received on incoming link on shortest path back to center) then flood datagram onto all outgoing links else ignore datagram Network Layer 4-235

236 Reverse path forwarding: example s: source LEGEND R1 R4 router with attached group member R2 R5 router with no attached group member datagram will be forwarded R3 R6 R7 datagram will not be forwarded result is a source-specific reverse SPT may be a bad choice with asymmetric links Network Layer 4-236

237 Reverse path forwarding: pruning forwarding tree contains subtrees with no mcast group members no need to forward datagrams down subtree prune msgs sent upstream by router with no downstream group members s: source LEGEND R1 R4 R2 router with attached group member P R5 R3 P R6 R7 router with no attached group member P prune message links with multicast forwarding Network Layer 4-237

238 Shared-tree: steiner tree steiner tree: minimum cost tree connecting all routers with attached group members problem is NP-complete excellent heuristics exists not used in practice: computational complexity information about entire network needed monolithic: rerun whenever a router needs to join/leave Network Layer 4-238

239 Center-based trees single delivery tree shared by all one router identified as center of tree to join: edge router sends unicast join-msg addressed to center router join-msg processed by intermediate routers and forwarded towards center join-msg either hits existing tree branch for this center, or arrives at center path taken by join-msg becomes new branch of tree for this router Network Layer 4-239

240 Center-based trees: example suppose R6 chosen as center: LEGEND R1 R4 3 R2 router with attached group member router with no attached group member 2 R5 R3 1 1 path order in which join messages generated R6 R7 Network Layer 4-240

241 Internet Multicasting Routing: DVMRP DVMRP: distance vector multicast routing protocol, RFC1075 flood and prune: reverse path forwarding, source-based tree RPF tree based on DVMRP s own routing tables constructed by communicating DVMRP routers no assumptions about underlying unicast initial datagram to mcast group flooded everywhere via RPF routers not wanting group: send upstream prune msgs Network Layer 4-241

242 DVMRP: continued soft state: DVMRP router periodically (1 min.) forgets branches are pruned: mcast data again flows down unpruned branch downstream router: reprune or else continue to receive data routers can quickly regraft to tree following IGMP join at leaf odds and ends commonly implemented in commercial router Network Layer 4-242

243 Tunneling Q: how to connect islands of multicast routers in a sea of unicast routers? physical topology logical topology mcast datagram encapsulated inside normal (nonmulticast-addressed) datagram normal IP datagram sent thru tunnel via regular IP unicast to receiving mcast router (recall IPv6 inside IPv4 tunneling) receiving mcast router unencapsulates to get mcast Network Layer datagram

244 PIM: Protocol Independent Multicast not dependent on any specific underlying unicast routing algorithm (works with all) two different multicast distribution scenarios : dense: group members densely packed, in close proximity. bandwidth more plentiful sparse: # networks with group members small wrt # interconnected networks group members widely dispersed bandwidth not plentiful Network Layer 4-244

245 Consequences of sparse-dense dichotomy: dense sparse: group membership by routers assumed until routers explicitly prune data-driven construction on mcast tree (e.g., RPF) bandwidth and non-grouprouter processing profligate no membership until routers explicitly join receiver- driven construction of mcast tree (e.g., centerbased) bandwidth and non-grouprouter processing conservative Network Layer 4-245

246 PIM- dense mode flood-and-prune RPF: similar to DVMRP but underlying unicast protocol provides RPF info for incoming datagram less complicated (less efficient) downstream flood than DVMRP reduces reliance on underlying routing algorithm has protocol mechanism for router to detect it is a leaf-node router Network Layer 4-246

247 PIM - sparse mode center-based approach router sends join msg to rendezvous point (RP) intermediate routers update state and forward join after joining via RP, router can switch to source-specific tree increased performance: less concentration, shorter paths R1 R4 join R2 join R5 R3 join R6 all data multicast from rendezvous point R7 rendezvous point Network Layer 4-247

248 PIM - sparse mode sender(s): unicast data to RP, which distributes down RP-rooted tree RP can extend mcast tree upstream to source RP can send stop msg if no attached receivers R1 R4 join R2 join R5 R3 join R6 all data multicast from rendezvous point R7 rendezvous point no one is listening! Network Layer 4-248

249 Chapter 4: done! 4.1 introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol datagram format, IPv4 addressing, ICMP, IPv6 4.5 routing algorithms link state, distance vector, hierarchical routing 4.6 routing in the Internet RIP, OSPF, BGP 4.7 broadcast and multicast routing understand principles behind network layer services: network layer service models, forwarding versus routing how a router works, routing (path selection), broadcast, multicast instantiation, implementation in the Internet Network Layer 4-249

Näytä lisää