Forwarding und Routing

(1)

Internet‐Routing

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐Internetworking 16

(2)

Forwarding und Routing

H3 H2

H1

H5

H4 H6 H7

R1

R3 R2

H7

1 2

Forwarding‐Tabelle

Adresse Interface MAC‐Adr.

Host H1 3 Adr(H1) Host H2 3 Adr(H2) Host H3 3 Adr(H3) Netz N2 1 Adr(R2) Netz N3 2 Adr(R3) 3

Woher bekommt man die Forwarding‐Tabelle?

Netz N1

Netz N2 Netz N3

(3)

Routing

Grundlagen der Rechnernetze ‐Internetworking 18

Wir betrachten zunächst Routing als Graph‐Problem.

Gegeben sei ein Graph mit gewichteten Kanten

(hier der Einfachheit halber ein ungerichteter Graph):

Finde die kürzesten Pfade zwischen den einzelnen Knoten.

B D

C

F

A E

12

1 3

3

1

4

4 7

Was wäre wohl „per draufgucken“ der kürzeste Pfad P von A nach F?

Was ist das Gesamtgewicht w(P) dieses Pfades?

SS 2012

(4)

Routing Algorithmen

Link‐State‐Routing Distanzvektor‐Routing

Von allen Nachbarinformation an alle (zentraler Routing‐Algorithmus) Globale Information an Nachbarn

(verteilter Routing‐Algorithmus)

R

R1 R2

Ziel Distanz

H1 5

H2 3

H3 7

H4 2

… …

R

Ziel Distanz

H1 7

H2 4

H3 4

H4 1

… …

(5)

Internet‐Routing

Distanzvektor‐Routing (aka. Bellman‐Ford)

(6)

Stetiger Austausch und Aktualisierung dieser Tabellen

(Routing‐Update)

Neue Tabelle von A

Tabelle von B Tabelle von C

B C

A

Grundidee

Initiale Distanzvektortabellen

A

C B

D E ^Ziel ^Next ^Dist

A A 1

B ‐‐ 0

C C 1

D D 1

E ?? 1

Ziel Next Dist

A A 1

B B 1

C ‐‐ 0

D D 1

E E 1

A ‐‐ 0

B B 1

C C 1

Initiale Tabelle von A Ziel Next Dist

A ‐‐ 0

B B 1

C C 1 Kantengewichte hier verein‐

(7)

Details zu Routing‐Updates

Generelle Regel für Knoten u:

1. Aktualisiere iteTabellenzeile (x_i, y_i, d_i), wenn für die von Knoten v empfangene Tabellenzeile (x_i, z_i, c_i) gilt: d_i > c_i + 1

2. Die aktualisierte Tabellenzeile ist dann (x_i, v, c_i + 1)

(Erweiterung auf gewichtete Kanten offensichtlich: ersetze „+1“ mit Kantengewicht für Kante uv)

u v

… … …

x_i z_i c_i

… … …

x_i v_i d_i

… … …

x_i v c_i+1

Grundlagen der Rechnernetze ‐Internetworking

SS 2012 22

(8)

Wann versendet ein Knoten ein Routing‐Update?

Periodic‐Update: Tabellen werden regelmäßig an Nachbarn geschickt

• Damit wissen die Nachbarknoten, dass es den Link und Knoten noch gibt.

• Werden über einen bestimmten Zeitraum keine Updates mehr empfangen, so wird der Link als ausgefallen interpretiert

Triggered‐Update: Wann immer ein Knoten seine Routing‐Tabelle geändert hat

• Nach lokal festgestelltem Link‐Ausfall

• Nach Empfang eines Routing‐Updates von einem Nachbarn

• Das kann wiederum eine Änderung in den Nachbarknoten und damit Routing‐Updates von den Nachbarn bewirken (usw.)

(9)

Forwarding anhand der Routing‐Tabellen

A

C B

D E

A ‐‐ 0

B B 1

C C 1

D B 2

E C 2

A A 1

B B 1

C ‐‐ 0

D D 1

E E 1

Randbemerkung

• Routing‐Tabelle: speichert alles was man für das Routing benötigt.

• Forwarding‐Tabelle: speichert alles was man für das Forwarding

benötigt

• Kann ein und dieselbe Tabelle sein;

muss es aber nicht.

(10)

Beispiel eines Link‐Ausfalls

B

D C

F A

E

G

Dst Next Hops

G F 2

Dst Next Hops

G G 1

Tabelleneinträge

bzgl. Knoten G: ^Dst ^Next ^Hops

G D 2

Stabilisiert sich das Netz immer in dieser Form?

(11)

Count‐to‐Infinity‐Problem

A B

C

A

B

C

D

Lösungsansatz 1: ignorieren. Am Ende wird sowieso bis 1 hoch gezählt.

Lösungsansatz 2: Split‐Horizon.

Routing‐Updates nur zu Nachbarn, die nicht selber der nächste Hop sind.

Lösungsansatz 3: Split‐Horizon with Poison Reverse. Routing‐Updates zu allen Nachbarn. Allerdings Routing‐

Update 1 zu denen, die selber der nächste Hop sind.

Funktioniert das immer?

(12)

Internet‐Routing

Link‐State‐Routing

(13)

Link‐State‐Routing

Zweiter Schritt

Jeder Knoten hat globale Sicht und kann alle kürzesten Pfade berechnen

R R Erster Schritt

Jeder Knoten teilt allen anderen seine adjazenten Kanten mit (Flooding)

R U

V

X W Y

(R,U) (R,V) (R,W)

(R,X) (R,Y)

SS 2012 28

(14)

Reliable‐Flooding

Jeder Knoten versendet Link‐State‐Pakete (LSP) mit folgender Info:

• ID des Knotens, der das LSP erzeugt hat

• Liste der direkten Nachbarn (inklusive Link‐Kosten)

• eine Sequenznummer

• Ein TTL‐Wert für das Paket Jedes LSP wird geflutet, d.h.:

• LSP‐Erzeuger inkrementiert eine lokale Sequenznummer und versendet das LSP mit dieser Nummer

• Jeder Knoten, der ein „neueres“ (d.h. höhere Sequenznummer) LSP empfängt, leitet dieses an alle Nachbarn (außer dem, von dem das LSP empfangen wurde) weiter

• LSP mit älteren oder gleicher nummer werden ignoriert

• Des Weiteren werden LSPs ab bestimmtem TTL‐Wert ebenfalls verworfen

(15)

Routenberechnung mittels Dijkstra‐Algorithmus

Es sei s der Startknoten, N die Menge aller Knoten und l(v,w) die Kosten der Verbindung von v nach w. Wir definieren:

c(v) = aktuelle Kosten von v

m(v) = Markierung der schon behandelten Knoten

pre(v) = Vorgänger von v entlang der kürzesten Route nach s Dijkstra‐Algorithmus:

Für alle v in N-{s} setze c(v)=1 und m(v)=false c(s)=0 und m(s)=false

Solange noch unmarkierte Knoten existieren:

Finde unmarkierten Knoten v mit kleinstem Wert c(v) m(v) = true

Für jeden unmarkierten Nachbarknoten w:

Wenn c(w) > c(v) + l(v,w) dann pre(w) = v

c(w) = c(v) + l(v,w)

(16)

Beispiel an der Tafel

(17)

Internet‐Routing

Konkrete Realisierungen im Internet

(18)

Anwendung dieser Verfahren im Internet?

Skalierbarkeit

Kommunikationsoverhead Speicheroverhead

Langsame oder keine Konvergenz

Administrative Autonomie Freie Wahl von Routing‐Protokollen

Verbergen von Netzinterna

(19)

Autonomous‐Systems (AS)

3c 3a

3b

1c 1a

1d

1b

2a

2c

2b

AS1

AS2 AS3

H1

H2 Gateway‐Router

H2 in AS2

Intra‐AS‐Routing

Beispiel: Routing Information Protocol (RIP) Beispiel: Open Shortest Path First (OSPF)

Inter‐AS‐Routing Border Gateway Protocol (BGP)

SS 2012 34

(20)

OSPF erlaubt zusätzliche Hierarchie in einem AS:

RIP und OSPF

Routing Information Protocol (RIP) = Distanzvektor‐Routing (ungewichtet) Open Shortest Path First (OSPF) = Link‐State‐Routing (gewichtet)

Area 1 Area 2

Area 3

Area‐Border‐

Router Backbone‐Router

Separates OSPF in Backbone und jeder Area

H1 H2 in Area 3

H2

Internal‐Router

(21)

BGP Grundlagen

3c

3a

3b 1c

1a 1d

1b

2a

2c

2b AS1

AS3 AS2

Ziel Pfad Next

x in AS1 AS1 3a‐1c y in AS2 AS1‐AS2 3a‐1c

z in AS3 ‐‐ ‐‐

… Border Gateway Protocol (BGP) = Distanzvektor‐Routing (ungewichtet)… …

Aber: Distanzvektortabelle speichert komplette Pfade anstatt Distanzwert Aber: Distanzvektortabelle muss zusätzlich den ersten Hop speichern

Aber: Distanzvektortabellen werden nicht „unreflektiert“ ausgetauscht Aber: Zwei AS können durch mehrere Kanten verbunden sein

SS 2012 36

(22)

BGP Policy

Kunden‐AS Provider‐AS W

B

X

Y

Beispielregeln:

1. Kunden‐AS darf nur Kommunikationsendpunkt sein 2. B möchte keinen Verkehr zwischen A und C tragen 3. A will niemals Verkehr über B leiten

Ziel Pfad

z in Y X‐C‐Y

Ziel Pfad

z in W B‐A‐W

Ziel Pfad

z in X A‐B‐X or A‐C‐X

A

C

(23)

Limitierter Adressbereich

(24)

Problemstellung

Mit den Standard‐IP‐Adressen lassen sich maximal 2³² = 4.294.967.296 » 4,3 Mrd.

Hosts adressieren.

Das ist schon alleine ein Problem weltweit alle gewöhnlichen Hosts mit einer eindeutigen Adresse zu versehen.

Darüber hinaus werden in Zukunft nicht nur gewöhnliche PCs am Internet angeschlossen sein, sondern beispielsweise auch:

• Mobiltelefone

• Fernseher

• und viele andere Geräte des täglichen Lebens

(25)

Ein Patch auf die Schnelle

Network‐Adress‐Translation (NAT)

• Lokalen Hosts werden temporär globale Adressen zugeordnet.

• In ausgehenden IP‐Paketen wird von der NAT‐Box die lokale Adresse mit der zugehörenden globalen Adresse ersetzt.

• In ankommenden IP‐Paketen wird von der NAT‐Box die globale Adresse mit der zugehörenden lokalen ersetzt.

Lokales Netz NAT‐Box

Verfügbare eindeutige globale Adressen:

171.69.210.246, ..., 171.69.210.252 Lokal eindeutige

Adresse:

10.0.1.5 H

IP‐Paket:

Quelle: 10.0.1.5

IP‐Paket:

Quelle: 171.69.210.246 Ins Internet

IP‐Paket:

Ziel: 10.0.1.5

IP‐Paket:

Ziel: 171.69.210.246

(26)

Das Hauptthema von IPv6

Bisher haben wir IP Version 4 (kurz IPv4) betrachtet.

Es gibt Bemühungen das heutige Internet mit einer IP Version 6 (kurz IPv6) zu verbessern.

Ein wichtiger Punkt bei IPv6: stelle genügend Adressen zu Verfügung IPv6 definiert 128‐Bit‐Adressen. Damit können etwa

3,4 ¢ 10³⁸

Hosts adressiert werden oder anders gesagt

655 570 793 348 866 943 898 599

Adressen pro Quadratmeter der Erde vergeben werden.

(27)

Wechsel von IPv4 nach IPv6?

Aufgrund der Größe und dezentralen Organisation des Internets ist ein einfacher Wechsel von v4 nach v6 nicht durchführbar.

Möglichkeit: fließender Wechsel, der über Jahre hinweg paralleles betreiben von IPv4 und IPv6 ermöglicht.

Mechanismen:

• Dual‐Stack‐Operation

• Tunneling

(28)

Zusammenfassung und Literatur

(29)

Zusammenfassung

• Das Thema von Internetworking: wie konstruiert man ein großes Netz durch Verbinden von vielen kleinen Netzen

• Hauptproblem: Heterogenität und Skalierbarkeit

• Lösung IP‐Protokoll: Best‐Effort‐Service, der von allen

aktuellen und möglichen zukünftigen Netztypen unterstützt werden kann

• Hauptaufgabe: Routing

– Interdomain‐Routing – Intradomain‐Routing

• Tradeoff zwischen Skalierbarkeit und Optimalität:

skalierbarkeit durch hierarchische Organisation des Netzes auf Kosten von optimalen Pfaden

• Aktuelle Probleme:

– Adressverbrauch!

– (Routingtabellengrößen)

Grundlagen der Rechnernetze ‐Internetworking 44

SS 2012

(30)

Literatur

[PetersonDavie2007] Larry L. Peterson and Bruce S. Davie,

„Computer Networks: A Systems Approach“, Edition 4, 2007.

4.1.2 Service Model

4.1.6 Host Configuration (DHCP) 4.1.7 Error Reporting (ICMP)

4.1.8 Virtual Networks and Tunnels 4.2.1 Network as a Graph

4.2.2 Distance Vector (RIP) 4.2.3 Link State (OSPF)

4.3.3 Interdomain Routing (BGP) 4.3.4 Routing Areas