4 Livello Ip Parte4

Parte 4

Modulo 10:
Problematiche del routing su
scala geografica e in reti
aziendali di grandi dimensioni

Routing gerarchico
• Nella realtà, i router di Internet:
– non rappresentano un insieme omogeneo di risorse
– non eseguono lo stesso algoritmo di routing

• Diversi motivi:
– Scalabilità: all’aumentare del numero di router,
l’overhead degli algoritmi di routing diviene proibitivo
 occorre ridurre la complessità del calcolo del
cammino
– Autonomia amministrativa: un’organizzazione
dovrebbe/vorrebbe scegliere autonomamente come
amministrare il traffico tra i propri router
Reti di Calcolatori 2009/2010 – Architettura e Protocolli di Internet 4.211

1

Autonomous Systems per il routing

• I router vengono aggregati in “regioni” o sistemi
autonomi (AS)
• In pratica, un AS è un insieme di nodi e router
gestiti da un’unica entità di controllo centrale
(es., stesso ISP)
• Ciascun AS ha un numero identificativo
assegnato da una authority di registrazione
Internet:
– Il numero è compreso fra 1 e 64511
– I numeri di AS compresi nell’intervallo 64512-65535
sono riservati


Autonomous Systems per il routing (2)

• Per il routing all’interno di un AS (routing Intra-AS) i
router utilizzano qualche Interior Gateway Protocol dove
i router di un AS possono possedere un’informazione
completa su tutti gli altri router dell’AS

• Per il routing verso altri AS (routing (Inter-AS) viene
utilizzato qualche Exterior Gateway Protocol (prima
EGP, oggi BGP)

• Ciascun AS può usare metriche multiple per il routing
interno, ma appare come un unico AS ad altri AS


2

Esempio con 5 AS

AS1 AS2 IGP
2.1 2.2
IGP BGP
1.1
1.2 2.2.1

BGP
BGP
BGP 4.1 4.2
BGP IGP
IGP AS4
AS5
3.1 3.2
IGP AS3
5.1 5.2


Politiche di routing negli AS

• Le politiche di routing sono le regole per
decidere come instradare il traffico
– Se sono un AS, quale traffico accetto di far passare per
la mia rete?
– Ci sono spesso accordi commerciali alla base di queste
decisioni (RICORDARE: peering point e IX)

• Ogni AS vuole poter decidere le proprie politiche
e potrebbe anche non volerle fare conoscere agli
altri AS


3

Tipi di AS

AS1 AS3
AS1

AS2
AS1 AS3
AS2
AS2: Transit
AS connesso a diversi AS che
AS2: Stub consente di fare da tramite per gli
AS2
AS con una sola AS a cui è collegato (accetta sia
connessione traffico locale sia traffico in transito)
ad un altro AS AS2: Multi-homed
AS connesso con diversi AS,
ma non permette traffico che
non è generato o diretto verso l’AS
Reti di Calcolatori 2009/2010 – Architettura e Protocolli dilocale)
(accetta solo traffico Internet 4.216

Protocolli di routing: inter-AS, intra-AS

• Principale protocollo di routing inter-AS
– Border Gateway Protocol (BGP)
 Algoritmo di routing distribuito
 E’ oggi lo standard de facto per il routing tra AS

• Principali protocolli di routing intra-AS
– Routing Information Protocol (RIP)
 Algoritmo di routing distribuito (Distance vector protocol)
– Open Shortest Path First (OSPF)
 Algoritmo di routing centralizzato (Link state protocol)
 Successore di RIP


4

Protocolli di routing: inter-AS, intra-AS

BGP

RIP
OSPF


Parte 4

Modulo 11:
Protocollo RIP
(Intra-AS)

5

Origini del RIP
• E’ il primo storico protocollo per il routing intra-AS,
utilizzato per molti anni in Internet
• Definito in [RFC 1058]

• La sua diffusione fu determinata soprattutto dal
fatto che era implementato in modo nativo nel
sistema operativo Unix BSD (daemon routed),
primo ad avere tutto il software per supportare
l’intero stack TCP/IP

• E’ un protocollo distribuito basato sull’algoritmo
Distance Vector

Routing Information Protocol
• Basato sul protocollo Distance Vector
• Metrica di costo (semplificata) = numero di hop
 ipotesi: tutti i link hanno costo unitario
• Costo massimo di un percorso = 16 hop
 limite massimo del diametro di un AS
u v
Destinazione Hop
Numero di hop u 1
A B
dal router A v 2 w
alle varie w 2 x
sottoreti x 3
z
destinazione y 3 C D
z 2 y


6

RIP advertisement e RIP request
• I router adiacenti si scambiano i vettori di distanze
ogni 30 secondi utilizzando un messaggio di RIP
advertisement
• Ogni messaggio contiene fino a 25 sottoreti di
destinazione all’interno dell’AS con le relative
distanze in hop

• Un router può anche chiedere informazioni sul
vettore di distanze dei router adiacenti, tramite
messaggi di RIP request


RIP: esempio

z
w x y
A D B

C
Tabella di routing in D
Sottorete Router Numero di hop
destinazione successivo verso destinazione
w A 2
y B 2
z B 7
x -- 1

7

RIP: esempio
Dest Next hop
w - 1 RIP advertisement
x - 1 da A a D (“io arrivo a z con 4 hop”)
z C 4
z
w x y
A D B

C
Sottorete Router Numero di hop
destinazione successivo verso destinazione
w A 2
y B 2
z B A 7 5
x -- 1
Reti di Calcolatori 2009/2010 – Architettura Tabella Internet
e Protocolli di di routing in D 4.224

Link failure
• Se un router non riceve messaggi dal suo vicino
dopo 180 secondi  lo considera irraggiungibile
– I percorsi passanti per il router vicino vengono invalidati
(si setta il flag U)
– Nuovi RIP advertisement vengono inviati agli altri router
vicini
– A loro volta, i vicini inviano RIP advertisement se le loro
tabelle subiscono cambiamenti

 Rapida propagazione delle informazioni sui
link failure (permanenti o temporanee) della rete


8

Pro e contro del RIP
• Come algoritmo Distance vector, RIP funziona bene per
reti non grandi, stabili e piuttosto veloci
• Ciascun router comunica ai vicini il percorso “migliore”
misurato in numero di hop
• Nel momento in cui c’è instabilità, il RIP “soffre”
– Poiché ciascun router comincia a inviare la propria
nuova tabella, prima di arrivare a convergenza, non c’è
una visione unitaria sullo stato della rete e sui percorsi
migliori
– Non c’è intrinseca protezione dai loop e c’è il rischio del
“count-to-infinity”
– Proprio per questa mancata protezione, si usa un
“infinito” piccolo (16) che tuttavia impedisce al RIP di
essere utilizzato su reti grandi

Parte 4

Modulo 12:
Protocollo OSPF
(Intra-AS)

9

Open Short Path First
• Definito nell’RFC 1131
• “open” = disponibile pubblicamente (a differenza
del protocollo EIGRP della Cisco)
• E’ un link state protocol, quindi

• Ha varie funzioni migliorative rispetto a RIP e quindi
è più adatto a reti grandi, il cui stato tende a
cambiare dinamicamente
• Attualmente, si tende a utilizzare:
– RIP nell’ambito di AS di secondo livello e di reti aziendali
molto grandi
– OSPF all’interno di AS di primo livello

Open Short Path First
• Il routing si basa sull’algoritmo centralizzato
Link State (“tell the world about the neighbors”)
– Topologia della rete e costi noti ad ogni nodo
– Calcola l’albero dei cammini di costo minimo mediante
l’algoritmo di Dijkstra
– Memorizza tale albero nel cosiddetto “link state
database” che viene distribuito a tutti i router
– Invia in broadcast eventuali aggiornamenti di costo con
i vicini ai router dell’intero AS (flooding)
– I messaggi OSPF viaggiano direttamente su IP
– Il “link state database” viene inviato periodicamente
(almeno ogni 30 minuti) anche se non è cambiato


10

Caratteristiche di OSPF (non in RIP)
• Sicurezza: autenticazione dei messaggi OSPF con algoritmi
di crittografia
• Percorsi multipli con costo uguale: possibilità di usare più
percorsi per instradare il traffico (mentre è solo uno in RIP)
• Supporto integrato per instradamento unicast e
multicast: multicast OPSF (MOSPF) usa lo stesso
database di collegamenti usato da OSPF
• Struttura gerarchica degli AS: possibilità di strutturare
grandi domini di instradamento in gerarchie di AS

Però anche OSPF non è perfetto perché il
broadcast costa …

Gerarchia OSPF in grandi aziende
• Consente una suddivisione dei router di grandi
organizzazioni in aree
• Ad esempio, in un’azienda con 500 router, la possibilità di
creare 10 aree ciascuna con 50 router significa che ogni
router ha bisogno di memorizzare e tenere aggiornate
informazioni solo su 50 router, invece di 500
• Quindi, si avranno:
– Internal router che applicano OSPF all’interno della
propria area
– Area border router che comunicano i percorsi verso
altre aree ai router di quell’area. Questi router non usano
i dettagli, ma solo i prefissi come fanno gli switch per i
numeri telefonici o i CAP da una città all’altra (411-
Modena, 401-Bologna; poi le altre due cifre per le zone)

11

Gerarchia OSPF in AS
• Consente una suddivisione dei router degli AS in aree così
da avere una gerarchia interna a due livelli:
1. aree locali
2. area backbone
Si usa l’algoritmo Link State all’interno di ogni area
• Area backbone
– Instrada il traffico tra le aree del sistema autonomo
– Contiene tutti i border router (router di confine)
• Border router: gestiscono l’instradamento verso altri AS (
implementano l’algoritmo di routing inter-AS)
• Backbone router (non border): effettuano l’instradamento
all’interno dell’area backbone
• Area border router: comunicano i percorsi verso altre aree
locali dell’AS ai router di quell’area

Sistema autonomo OSPF gerarchico
Border router
Backbone
router

Area
border
router Router
interni


12

Parte 4

Modulo 13:
Protocollo BGP
(Inter-AS)

Un po’ di storia…
• Fino agli anni ’80: EGP
– Storicamente il primo protocollo ad essere usato per il
routing inter-AS
– Presuppone una rete con topologia ad albero senza
cicli (come la vecchia ARPANET)
– Limiti nella massima dimensione delle reti gestibili
– Entra in crisi con l’introduzione delle dorsali Internet e
dei cammini multipli tra nodi
• BGP viene introdotto per sostituire EGP
• BGP è un algoritmo distribuito di tipo
“distance vector (“tells all neighbors about the
world”)

13

BGP
• Border Gateway Protocol (versione 4): RFC 1771
• E’ un protocollo complesso, ma fondamentale per il
funzionamento di Internet, in quanto è il protocollo
delle dorsali Internet per muoversi da un AS ad un
altro in modo completamente decentralizzato

• Utilizzato dagli ISP e non dai piccoli-medi utenti

• Può essere utilizzato anche come protocollo
intra-AS nel caso di AS molto grandi (in quanto il
protocollo intra-AS OSPF non scala molto bene)

BGP e tipi di AS
NON
NECESSARIO NECESSARIO

AS1 AS1 AS3
AS1 AS3

AS2 AS2
AS2

AS2: Stub AS2: Multi-homed AS2: Transit

• In generale, BGP non serve nei casi di: Single homed network (stub),
AS non fornisce downstream routing, AS usa un default route

14

Funzioni BGP e prefissi
• Funzioni principali
1. Scambiare informazioni di raggiungibilità tra AS
confinanti, detti peer (configurando manualmente i
router)
2. Propagare le informazioni di raggiungibilità a tutti i router
all’interno di un AS  meccanismo distribuito basato
sull’algoritmo Path Vector (della classe Distance Vector
Protocol)
3. Determinare i percorsi migliori in base a informazioni di
raggiungibilità e policy di routing (non solo metriche!)

• Le destinazioni sono indicate con prefissi che rappresentano
una o più sottoreti (ampio utilizzo di aggregazione di indirizzi
per ridurre le entry della routing table)


Sessioni BGP
• BGP fa uso di connessioni TCP [si vedrà in
seguito] semi-permanenti per far comunicare i
router confinanti (BGP peers)
• I due peer BGP che si scambiano messaggi sulla
connessione TCP formano una sessione BGP
– Sessione esterna (E-BGP) tra router di AS diversi
– Sessione interna (I-BGP) tra router dello stesso AS
3c
3a 2c
3b 2a
AS3 2b
1c AS2
E-BGP session 1a 1b
I-BGP session 1d
AS1

15

Router e BGP
• Transit router: router che gestiscono traffico
I-BGP all’interno dell’AS
• I transit router devono essere configurati a maglia
(mesh), cioè tutti devono essere peer di tutti gli
altri. Questo pone dei problemi di scalabilità, risolti
mediante confederazioni

• Border router (o edge router) router che
gestiscono traffico E-BGP tra diversi AS
• La scelta dei peer di un border router dipende
dalle policy del gestore dell’AS

Connettere diversi AS
I router di confine (edge router) hanno la responsabilità di
inoltrare pacchetti a destinazioni esterne all’AS

C.b
B.a
A.a
b Host
A.c c
a C a h2
b
a B
Host d Intra-AS routing
c
h1 A b entro AS B
Intra-AS routing
entro AS A


16

Architettura di un edge router


Distribuzione di informazioni per la
raggiungibilità
• 3a annuncia a 1c i prefissi di rete raggiungibili da AS3
attraverso una sessione E-BGP
• 1c usa I-BGP per distribuire le informazioni di
raggiungibilità a tutti i router in AS1 (1a – 1d – 1b)
• 1b annuncia a 2a i prefissi raggiungibili da AS3 e AS1
attraverso una sessione E-BGP
• Quando un router viene a conoscenza di un nuovo
prefisso, crea una nuova riga nella propria tabella di
routing
3c
3a 2c
3b 2a
AS3 2b
1c AS2
E-BGP session 1a 1b
I-BGP session 1d
AS1

17

Prefissi e attributi BGP
• “Annunciare un prefisso” equivale alla “promessa”
di inoltrare i pacchetti su un percorso verso il
prefisso di destinazione
• L’annuncio di un prefisso comprende anche
attributi BGP, tra cui i più importanti sono:
– AS-PATH: elenco degli AS attraverso cui è passato
l’annuncio del prefisso (strada attraversata)
– NEXT-HOP: lo specifico router nel next-hop AS da
cui giunge l’annuncio (possibili più collegamenti tra
gli AS)


Selezione del percorso
• Un router può venire a conoscenza di più di un
percorso verso un prefisso
 deve selezionarne uno
• Quando un border router riceve un annuncio
utilizza le policy locali per decidere se
accettare/scartare l’annuncio
• Varie possibili regole:
1. Valore di preferenza locale: policy
2. AS-PATH più breve
3. Router di NEXT-HOP più vicino
4. Altri criteri

18

Path Vector: esempio path alternativi
tra AS1 e AS4

151.16.0.0/16

AS3

AS2
80.128.0.0/12

AS1 AS4

AS5


Algoritmo Path Vector
• BGP usa Path Vector, una variante dell’algoritmo
distribuito Distance Vector Protocol
• Ogni routing update contiene informazioni sull’intero
cammino verso la destinazione attraverso gli AS
• Individuazione dei loop:
– Quando un AS riceve un update riguardo un percorso,
controlla se il percorso contiene se stesso come info
 Se sì, scarta l’update
 Se no, aggiunge se stesso e (eventualmente) propaga l’update
• Vantaggi:
– Uso di metriche e policy locali nelle decisioni
– Il protocollo garantisce che non ci siano loop


19

Path Vector: esempio

151.16.0.0/16

151.16.0.0/16 AS3
151.16.0.0/16 AS3
AS3
AS2
151.16.0.0/16
AS3
AS2
AS2
80.128.0.0/12
151.16.0.0/16
AS1 AS3 AS4
80.128.0.0/12
AS2
AS1
AS1
AS2
80.128.0.0/12 AS2 scarta
AS1 l’update


Criteri di selezione dei percorsi
Attributi sui percorsi + politiche esterne

Esempi:
– hop count
– politiche
– presenza o assenza di certi AS
– origine del percorso (EGP, IGP)
– dinamismo dei link dynamics (“flapping”, “stable”)


20

Politiche e BGP
• BGP fornisce funzionalità per implementare
diverse “politiche di routing”
– Si può definire come scegliere un percorso nel
momento in cui ci sono più alternative
– Si possono limitare le informazioni che vengono
mandate a tutti gli altri AS
– Si possono modulare le informazioni che vengono
mandate a ciascun AS

• IMPORTANTE: Le politiche non sono parte del
BGP, ma sono fornite come modalità di
cofigurazioni

Esempi di politiche disponibili
• A multi-homed AS refuses to act as
transit
– limit path advertisement

• A multi-homed AS can become transit
for some AS’s
– only advertise paths to some AS’s

• An AS can favor or disfavor certain
AS’s for traffic transit from itself


21

Quando il BGP non serve

• Single homed network
(stub)
• AS non fornisce
downstream routing
• AS usa un default
route


Parte 4

Modulo 14:
Altri protocolli a livello 3

22

Altri protocolli di livello 3
• Il protocollo IP è la “vita” della clessidra, unico protocollo per
il routing su Internet a differenza dei due protocolli trasporto
(UDP e TCP) e dei molteplici protocolli H2N (Ethernet, WiFi,
PPP, Token ring, ATM, FDDI, SLIP, WiMAX, ecc.)
• D’altro canto, IPv4 non è l’unico protocollo operante a livello
3. Esistono anche:
– IPv6
– ICMP (protocollo accessorio per la gestione del routing)
– IGMP (Internet Group Management Protocol è un
protocollo per la gestione dei gruppi multicast)
– IPSec, cifrato per realizzare Virtual Private Network
(VPN) su scala geografica


ICMP
Internet Control Message Protocol
[prima idea: RFC 792, Jon Postel]

• E’ un protocollo di “servizio” relativo alla gestione di
reti, alla verifica di raggiungibilità di host ovvero al
riscontro di malfunzionamenti

• E’ il protocollo alla base dei protocolli applicativi
ping e traceroute


23

Esempi codici di ICMP
0 Destination network unreachable
1 Destination host unreachable
2 Destination protocol unreachable
3 Destination port unreachable
4 Fragmentation required
5 Source route failed
6 Destination network unknown
7 Destination host unknown
8 Source host isolated
9 Network administratively prohibited
10 Host administratively prohibited
11 Network unreachable for TOS
12 Host unreachable for TOS
13 Communication administratively prohibited
…

Internet Control Message Protocol (2)
• Utilizzi principali:
- congestione e controllo di flusso dei datagram
- comunicare periodicamente cambiamenti nelle tabelle di routing
- determinare cammini circolari o eccessivamente lunghi
- stimare il tempo di trasmissione da mittente a destinatario

• Programmi per il testing che usano ICMP:
- ping: usato per testare la raggiungibilità e lo stato di un
host; utilizza il messaggio echo request e echo reply
dell’ICMP (es., ping 160.80.1.5)
- traceroute: usato per tracciare il cammino da un host
all’altro: usa il campo TTL del datagram IP; se TTL=0 l’host
comunica al mittente l’errore usando ICMP

24

ICMP
Utilizzato dagli host, router e gateway per comunicare
informazioni riguardanti il livello di rete, in particolari errori
Es. Il messaggio “Destination host is unreachable” nel protocollo HTTP ha
origine dall’ICMP

Il messaggio ICMP è incapsulato in un datagram IP:

ICMP header ICMP dati

Header del datagram Area dati del datagram

Header del frame Area dati del frame


Relazione tra ICMP e IP

icmp hdr icmp data

ip header ip data

frame header frame data trailer

Regola 1: nessun messaggio ICMP viene generato a seguito di
eventuali errori rilevati su messaggi ICMP
Regola 2: se il pacchetto viene frammentato, solo il primo frammento
può generare messaggi di errore ICMP
Regola 3: i broadcast e multicast non generano ICMP


25

Messaggi di errore
Questi messaggi di errore seguono un pacchetto scartato:
• TIME_ EXCEEDED (tempo scaduto)
– il pacchetto ha TTL=0
• DESTINATION_UNREACHABLE
– un gateway vede la rete destinazione a distanza infinita (net unreachable)
– l'host non risponde ad una chiamata ARP (host unreachable)
– l'host destinazione non conosce il protocollo nel pacchetto (protocol
unreachable)
– il pacchetto non può essere frammentato (fragmentation needed and DF set)
• PARAMETER_PROBLEM (problema con i parametri).
– Il gateway non riesce ad interpretare il pacchetto ricevuto a causa di un valore
errato, possibile errore software
• SOURCE_QUENCH obsoleto (rallentamento, soffocamento della
sorgente)
– congestione di un gateway intermedio
– host destinazione lento nell’acquisizione

Messaggi di servizio
Es., Routing redirect
• Si supponga che HostA debba inviare a HostB un
pacchetto. Poiché i due host non sono nella stessa
subnet, HostA invia il pacchetto al suo default router (es.,
R1)
• R1 ha nella sua tabella di instradamento una regola che
indica di instradare i pacchetti destinati alla rete
132.16.0.0/16 tramite R2. Poiché R2 è raggiungibile anche
da HostA, R1 comunica questo fatto a HostA tramite un
messaggio di redirect
• HostA invia i successivi pacchetti destinati a HostB tramite
R2 tramite un meccanismo di caching
• Nota: contrariamente a quanto indicato dalla RFC 1122
(standard), non tutti gli end-system considerano le
indicazioni di redirect
• Ulteriori approfondimenti in: RFC 792, 1812, 1122

26

traceroute
• Il comando traceroute permette di capire per quali
router passano i pacchetti IP quando sono diretti ad una
data destinazione.
• traceroute è compreso nella dotazione standard di tutti
i sistemi *nix
• Nei sistemi Windows il comando ha il nome tracert e
sintassi leggermente differente.
• traceroute trova utilizzo anche nell’ambito
dell’amministrazione della rete per isolare guasti o
incoerenze nelle tabelle di routing
• E’ utile anche per mostrare il percorso dei pacchetti
svelando un po’ della topologia nascosta di Internet
• Ci sono interessanti versioni grafiche


27

4 Livello Ip Parte4

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