Internetworking

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Redes de Computadores – DCC UFMG <#>

-Interconexão de Redes

• Sumário

– Interconexão de redes heterogêneas – Serviço universal de comunicação – O modelo de serviço de interredes – Esquema de endereçamento global

IP Internet

• Concatenation of Networks R2 R1 H4 H5 H3 H2 H1 Network 2 (Ethernet) Network 1 (Ethernet) H6 Network 3 (FDDI) Network 4 (point-to-point) H7 R3 H8

Motivação para interconexão

• Diferentes tecnologias de rede oferecem diferentes características:

– LANs: alta velocidade, pequena distância – WANs: comunicação numa grande área – Não existe uma única tecnologia de rede que é

melhor para todas as necessidades

Motivação para interconexão

• É comum uma grande organização ter várias redes físicas, cada uma adequada para um determinado tipo de ambiente

Conceito de Serviço Universal

• Serviço universal:

– Permite que um usuário ou aplicação num computador troque informações com qualquer outro usuário ou aplicação em outro computador da rede

• Um sistema de comunicação que provê serviço universal permite que pares arbitrários de computadores se comuniquem

Conceito de Serviço Universal

• Incompatibilidades entre hardware de rede e endereçamento físico fazem com que não seja possível criar uma rede com diferentes tecnologias

• Solução

– Interconexão entre redes através de hardware e software

• Sistema resultante:

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Hardware básico de uma internet

• Roteador

– Computador de finalidade especial dedicado a interconexão de redes

• As redes podem usar diferentes

tecnologias como meio físico,

endereçamento, formato de pacotes

Arquitetura de uma internet

• Roteadores comerciais podem ser usa-dos para conectar mais de duas redes

• Um único roteador não é usado para conectar todas as redes de uma organização:

– Provável incapacidade do roteador de processar todos os pacotes entre as redes de forma apropriada

– Falta de confiabilidade e redundância

Como obter serviço universal

• Objetivo de interconexão:

– Ter serviço universal entre redes heterogêneas

• Como?

– Roteadores devem negociar a sintaxe e semântica de pacotes entre origem e destino – Rede virtual: sistema de comunicação é uma

abstração

Rede virtual

Protocolos para interconexão

• Mais importante de todos: IP • Interconexão:

– Conceito fundamental das redes modernas

• Para que haja interconexão, hosts e roteadores precisam do protocolo IP • Hoje, é comum encontrar roteadores que

executam alguma aplicação também como funções de gerência

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IP Internet

• Protocol Stack R1 ETH FDDI IP IP ETH TCP R2 FDDI PPP IP R3 PPP ETH IP H1 IP ETH TCP H8

Service Model

• Connectionless (datagram-based)

• Best-effort delivery (unreliable service)

– packets are lost

– packets are delivered out of order – duplicate copies of a packet are delivered – packets can be delayed for a long time

Princípio de funcionamento do

protocolo IP

• Entrega será feita com o “maior esforço” (best-effort delivery)

• No entanto, IP não garante que não haja: – Duplicação de pacotes

– Entrega atrasada ou fora de ordem – Alteração de dados

– Perda de pacotes

– Protocolos de outros níveis devem tratar desses problemas

Service Model

• Datagram format

Version HLen TOS Length

Ident Flags Offset

TTL Protocol Checksum

SourceAddr DestinationAddr

Options (variable) Pad

(variable)

0 4 8 16 19 31

Data

Formato do pacote IP

• Version:

– Indica o número da versão corrente – Permite uma transição “suave” entre versões

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Formato do pacote IP

• IHL (Tamanho do cabeçalho):

– Qte de 32 bits presente no cabeçalho – Mínimo: 5 (sem nenhuma opção) – Máximo: 15 a 60 bytes (40 opções)

Formato do pacote IP

• Tipo de serviço - TOS

– Prioridade (3 bits) – Flags indicam o que é

mais importante para a aplicação: menor atraso, maior vazão, maior confia-bilidade (3 bits) – Dois bits não usados – Na prática, os roteadores

tendem a ignorar este campo

Formato do pacote IP

• Comprimento total do pacote:

– Pode ser até 65535 bytes

Formato do pacote IP

• Identificação:

– Identifica o fragmento de um datagrama – É usado pelo destinatário para remontagem

Formato do pacote IP

• Bit DF (don't fragment):

– Indica que o pacote não deve ser fragmentado

• Bit MF (more fragments):

– Todos os fragmentos de um pacote, exceto o último, setam este bit

Formato do pacote IP

• Fragment Offset:

– Indica onde o fragmento se encaixa dentro do pacote – Cada fragmento, exceto o último, deve ser múltiplo de 8

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Formato do pacote IP

• Time To Live:

– Teoricamente, indica o tempo máximo que um pacote pode existir, i.e., 255 s

– Na prática, indica o número máximo de roteadores que pode passar

Formato do pacote IP

• Protocolo:

– Indica o protocolo para o qual deve-se passar o pacote

– A identificação dos protocolos é dada pela RFC 1700

Formato do pacote IP

• Checksum do cabeçalho:

– Tem como objetivo aumentar a confiabilidade do pacote entregue às camadas superiores

Formato do pacote IP

• Endereços dos computadores origem e destino

Formato do pacote IP

• Opções:

– Forma de incluir informações não presentes na versão

Fragmentação de pacotes

• A camada de rede de cada protocolo especifica uma quantidade máxima de dados que pode enviar de cada vez

• Este limite é conhecido como MTU (Maximum Transmission Unit)

• Logo, pacotes devem ter no máximo esse tamanho

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Fragmentação de pacotes

• Problema encontrado frequentemente na prática

Fragmentação de pacotes

• Cabeçalho original deve ser preservado na fragmentação

• Bit MF e campos de Identificação e Fragment Offset devem ser usados

Fragmentation and Reassembly

• Each network has some MTU • Strategy

– fragment when necessary (MTU < Datagram) – try to avoid fragmentation at source host – re-fragmentation is possible – fragments are self-contained datagrams – use CS-PDU (not cells) for ATM – delay reassembly until destination host – do not recover from lost fragments

Example

H1 R1 R2 R3 H8 ETH IP (1400) FDDI IP (1400) PPP IP (512) PPP IP (376) PPP IP (512) ETH IP (512) ETH IP (376) ETH IP (512)

Example

_{Ident= x}Start of header_{Offset= 0} 0 Rest of header 1400 data bytes Ident= x Offset= 0 Start of header 1 Rest of header 512 data bytes Ident= x Offset=64 Start of header 1 Rest of header 512 data bytes Ident= x Offset= 128 Start of header 0 Rest of header 376 data bytes

Remontagem de pacotes

• Processo inverso ao da fragmentação • Quem é responsável por essa tarefa?

– Computador de destino responsável por essa tarefa

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Remontagem de pacotes

• O que ocorre se fragmentos são perdidos, chegam foram de ordem ou atrasados? • RX não tem como informar TX para enviar

um fragmento já que TX não conhece nada sobre fragmentação

Remontagem de pacotes

• Solução:

– RX ao receber o primeiro fragmento de um pacote inicializa um temporizador

– Se todos os fragmentos não chegam antes do temporizador se esgotar então todos os fragmentos são ignorados

Fragmentação de fragmentos

• É possível fragmentar fragmentos?

– Sim. O protocolo IP não faz distinção de níveis de fragmentação

• Na prática, a remontagem pode ser feita mais rápida se todos os fragmentos forem do mesmo tamanho

Endereçamento numa

rede virtual

• Componente crítico da abstração fornecida por uma internet

• Independente dos endereços físicos como os usados em redes locais

• Ajuda a criar a ilusão de uma rede única e integrada

• Usuários, aplicações e protocolos de alto nível usam endereços abstratos para se comunicar

Esquema de

endereçamento IP

• Na arquitetura TCP/IP, o endereçamento é especificado pelo Internet Protocol (IP) • Endereço IP de um computador:

– Número binário único de 32 bits

• Dividido em duas partes:

– Prefixo: identifica a rede física na qual o computador se encontra (número de rede) – Sufixo: identifica o computador na rede

Esquema de

endereçamento IP

• Número de rede é único

• Número do prefixo deve ser controlado globalmente

• Número do sufixo pode ser controlado localmente

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Classes de endereçamento IP

• Compromisso entre tamanho de prefixo e sufixo que reflete diferentes tamanhos de rede

• Classes primárias: A, B e C • Classe D: comunicação em grupo • Classe E: extensão futura (sem uso) • É chamado de auto-identificável:

– A classe de um endereço pode ser calculada do próprio endereço

Global Addresses

• Properties

– globally unique

– hierarchical: network + host

• Dot Notation – 10.3.2.4 – 128.96.33.81 – 192.12.69.77 Network Host 7 24 0 A: Network Host 14 16 1 0 B: Network Host 21 8 1 1 0 C:

Classes de endereçamento IP

Endereço IP

• É chamado de auto-identificável:

– A classe de um endereço pode ser calculada do próprio endereço

Endereço IP

• Notação decimal com ponto:

– 32 bits: 4 x 8 bits

• Forma usual de representar endereços • Exemplo:

– turmalina.dcc.ufmg.br: 150.164.10.1

Endereço IP

• Valores do primeiro octeto do endereço: • Espaço de endereçamento:

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Exemplo de endereçamento

Endereços especiais

• Existem alguns endereços que são reservados e não são atribuídos a computadores

Endereços de roteadores

• Roteadores devem ter endereços IP • Cada roteador deve ter dois ou mais

endereços IP

– Um roteador tem conexões para diferentes redes físicas

– Cada endereço IP contém um prefixo que especifica uma rede física

Endereços de roteadores

Computadores muti-homed

• Computadores ligados a mais de uma rede física

• Objetivos:

– Confiabilidade – Desempenho

• O computador possui um endereço IP em cada rede que se conecta

Datagram Forwarding

• Forwarding – encaminhamento

– O processo de pegar um pacote de uma entrada e passá-lo para uma saída apropriada.

• Routing – roteamento

– O processo de construção de tabelas que permitem a correta saída de um pacote ser determinada.

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Datagram Forwarding

• Strategy

– every datagram contains destination’s address – if directly connected to destination network, then

forward to host

– if not directly connected to destination network, then forward to some router

– forwarding table maps network number into next hop – each host has a default router

– each router maintains a forwarding table

Datagram Forwarding

• Example network R2 R1 H4 H5 H3 H2 H1 Network 2 (Ethernet) Network 1 (Ethernet) H6 Network 3 (FDDI) Network 4 (point-to-point) H7 R3 H8

Datagram Forwarding

• Example (R2) Network Number Next Hop

1 R3

2 R1

(From fig. 4.1)

Datagram Forwarding

• Example (R2) Network Number Next Hop

1 R3 2 R1 3 interface 1 4 interface 0

Datagram Forwarding

• Redes escaláveis

– Para se obter escalabilidade, é preciso reduzir a quantidade de informação armazenada em cada nodo

– A maneira mais comum é usar agregação hierárquica

Datagram Forwarding

• Escalabilidade com IP

– Dois níveis de hierarquia

• Redes no nível superior • Nodos no nível inferior

• Roteadores tratam apenas dados agregados

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Address Translation

• Map IP addresses into physical addresses

– destination host – next hop router

• Techniques

– encode physical address in host part of IP address (don’t work, addresses are limited)

– table-based: a table in each host

Address Translation

• ARP

– Address Resolution Protocol

– table of IP to physical address bindings – broadcast request if IP address not in table – target machine responds with its physical address – table entries are discarded if not refreshed

ARP– The Address Resolution

Protocol

Three interconnected /24 networks: two Ethernets and an FDDI ring.

ARP Packet Format

TargetHardwareAddr (bytes 2– 5) TargetProtocolAddr (bytes 0– 3) SourceProtocolAddr (bytes 2– 3)

Hardware type = 1 ProtocolType = 0x0800

SourceHardwareAddr (bytes 4– 5)

TargetHardwareAddr (bytes 0– 1) SourceProtocolAddr (bytes 0– 1) HLen = 48 PLen = 32 Operation

SourceHardwareAddr (bytes 0– 3)

0 8 16 31

ARP Details

• Request Format

– HardwareType: type of physical network (e.g., Ethernet) – ProtocolType: type of higher layer protocol (e.g., IP) – HLEN & PLEN: length of physical and protocol addresses – Operation: request or response

– Source/Target-Physical/Protocol addresses

• Notes

– table entries timeout in about 10 minutes – update table with source when you are the target – update table if already have an entry

– do not refresh table entries upon reference

ATMARP

• Subredes lógicas IP – LIS

– Possibilita dividir uma rede ATM grande em sub-redes menores.

– Todos nodos de uma sub-rede, uma mesma rede IP

• Uso de roteadores, como no IP clássico

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Error reporting in the Internet

• Embora o protocolo IP simplesmente descarte os pacotes com problemas, • Na prática, os problemas são reportados às

fontes de pacotes

• Protocolo ICMP, companheiro do IP

– Define uma coleção de mensagens de erro

ATMARP

• Protocolo de resolução usado em ATM • Quando uma rede ATM opera como parte de

uma interrede IP

• Problema: difusão de pacotes • Soluções:

– Uso de emulação de LAN (pode não ser eficiente) – Procedimento de ARP em redes ATM

• ATMARP

– Parte do modelo Classical Ip over ATM – Baseia-se num servidor para resolução de

endereços

Internet Control Message

Protocol (ICMP)

• Echo (ping)

• Destination unreachable (protocol, port, or host)

• TTL exceeded (so datagrams don’t cycle forever)

• Checksum failed • Reassembly failed • Cannot fragment

• Redirect (from router to source host)