O Nível de Rede
• Papel: Obtém pacotes na origem e faz chegar ao destino
final. Realiza saltos em pontos intermediários (roteadores).
Contrasta com o nível de enlace que apenas faz os
quadros chegarem de uma máquina a outra adjacente.
• Objetivos:
– Serviços independentes da tecnologia da sub-rede;
– Poupar o Nível de Transporte dos detalhes das
topologias, do número e tipo de sub-redes presentes;
– Endereçamento disponível ao Nível de Transporte deve
ter um plano uniforme através das LANs e WANs.
Nível 3
1
Questões típicas do Nível de Rede
Para definir o caminho pelo qual os pacotes devem seguir da
origem ao destino (Roteamento), deve responder:
• A determinação da rota é estática ou dinâmica?
• Que ação tomar em caso de congestionamento?
• Como contabilizar o uso para cobrar dos usuários?
• Como compatibilizar endereçamentos diferentes em
redes heterogêneas?
• Como compatibilizar protocolos diferentes nas várias
etapas do caminho?
Comutação de Pacotes: Um host com um pacote a enviar, o
transmite ao roteador mais próximo que espera o pacote
inteiro chegar, confere o checksum e encaminha para o
próximo roteador. Assim sucessivamente
até chegar ao host
Nível 3
2
de destino.
Serviços oferecidos ao Transporte
• Sem conexão: deixa ao nível 4 a complexidade –
confiabilidade delegada às pontas (abordagem defendida
pela comunidade Internet).
Pacotes independentes chamados datagramas.
• Orientado a conexão: antes do envio de dados estabelecese a conexão com o par – simplifica o nível 4, pois o nível 3
já apresenta serviço confiável (abordagem defendida pelas
companhias telefônicas).
• No protocolo IP (Internet Protocol) o serviço de Rede é
sem conexão – alivia os roteadores; a medida que as
garantias de qualidade de serviço tornam-se importantes, a
Internet evolui, adquirindo propriedades associadas ao
Nível 3
3
serviço com conexão.
Sem conexão x Com conexão
Questões a comparar:
Endereçamento, Manutenção
de Estado,
Roteamento, Falha no
roteador, QoS, Controle de
congestionamento
Nível 3
4
Comparação:
Circuito Virtual versus Datagrama
Nível 3
5
5.2 - Algoritmos de Roteamento
• Propriedades desejáveis:
correto, robusto, estável, eficiente, justo
• Classes de Algoritmos:
– Estático : Shortest Path, Flooding
– Dinâmico: Link State Routing (RIP, IS-IS, OSPF)
Nível 3
6
Caminho mais curto (Dijkstra)
• As cinco primeiras etapas utilizadas no cálculo do
menor caminho de A a D. As setas indicam o nó ativo.
Nível 3
7
Roteamento de Estado de Enlace
(Link State Routing)
Algoritmo empregado no OSPF (Open Shortest Path
First). O roteamento é dividido em 5 partes:
1. Descobrir seus vizinhos e aprender seus
endereços de rede;
2. Medir o retardo ou custo até cada vizinho;
3. Criar um pacote que informe tudo o que
acabou de aprender;
4. Enviar esse pacote a todos os outros
roteadores;
5. Calcular o caminho mais curto até cada um
dos outros roteadores.
Nível 3
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OSPF - Open Shortest Path First
• Pacote de estado do enlace:
• Buffer no roteador B:
Nível 3
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Roteamento para dispositivos móveis (1)
• Hosts móveis: Como os outros hosts vão localizar o host
móvel? Problemas: Modificar rotas dos roteadores,
mobilidade na aplicação, serviços contratados pelo IP.
• Agente Local, Endereço de “Care of”
Nível 3
Nível 3
10
Roteamento para dispositivos móveis (2)
Passos do roteamento móvel:
1) Host Móvel comunica care of ao Agente local;
2) Transmissor envia pacote para endereço original;
3) Agente Local intercepta o pacote, o encapsula com novo
cabeçalho (tunelamento) e envia ao Host Móvel;
4) Host móvel envia resposta ao transmissor;
5) Transmissor adota endereço care of para tunelar os
próximos pacotes.
Nível 3
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Roteamento em redes Ad Hoc (1)
Problema maior que roteamento para hosts móveis: Hosts e
roteadores são móveis!
• MANETs (Mobile Ad hoc Networks).
• Alg de roteamento: AODV (Ad hoc On-demand Distance
Vector) considera limitadas largura de banda e bateria.
• Cada nó precisa manter uma tabela de vetor de distância
classificada por destino com o vizinho a enviar pacotes
para alcançar o destino.
• Quando um nó quer alcançar outro, neste momento vai
descobrir a rota (on-demand). Emite um pacote ROUTE
REQUEST (flooding);
Nível 3
12
Roteamento em redes Ad Hoc (2)
a) A quer transmitir um pacote para o nó I, emite um pacote
ROUTE REQUEST alcançado por B e D;
b) B e D retransmitem, alcançando C, F e G. Os pacotes tem
número de sequencia para manter o controle de cópias. (D
recebeu de A e B e não faz flood 2 vezes);
c) E e H recebem e inundam (I recebe 2 vezes de G e H);
d) Quando I recebe, responde (ROUTE REPLY) que segue
pelo caminho inverso. Cada nó deve lembrar quem enviou
a solicitação.
As setas indicam
a rota inversa
armazenada.
Nível 3
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Manutenção de rotas
Periodicamente, cada nó transmite por broadcast uma msg
Hello que os vizinhos respondem. Se não houver resposta,
o nó elimina a entrada correspondente da tabela.
Se G sair do ar, D elimina as entradas para G e I; D notifica A
que elimina sua entrada para I.
Vizinhos ativos contam para vizinhos ativos recursivamente
até que todas as rotas dos nós que dependem do que saiu
sejam eliminadas de todas as tabelas de rotas.
Nível 3
14
Congestionamento
Congestionamento: Quantidade de pacotes presente na subrede é tão grande que a sub-rede não consegue entregar
todos => a fila explode => pacotes são descartados
=> pacotes devem ser retransmitidos => o desempenho é
degradado.
É uma questão global, diferente do controle de fluxo que é
uma questão entre transmissor e receptor.
- Estratégias empregadas:
tentar evitar ou
lidar com ele.
Nível 3
15
Soluções para congestionamento
Em diferentes escalas de tempo:
Escolher que
Diminuir
a
Escala de meses:
pacotes descartar.
carga:
recusa
Aumentar recursos
RED: Random Early
novos acessos
Detection
Ajustar as rotas de acordo
Na iminência do
com padrões de tráfego:
congestionamento (monitorar
causam oscilação nas
parâmetros), a rede solicita que
tabelas de rotas (não é
as fontes atrasem ou a rede
normalmente utilizado).
atrasa o tráfego. (Bit ECN –
Idéia: dividir o tráfego por
Explicit Congestion Notification)
16
vários caminhos.
Nível 3
5.4 - Qualidade de Serviço
Necessidades dos Fluxos: Largura de Banda (Throughput);
Atraso (Delay); Flutuação (Jitter); Perda (Drop).
• Aplicações versus Rigidez de Requisitos;
• Categorias de QoS:
–CBR (Constant Bit Rate) : Telefonia
–VBR –RT (Variable Bit Rate – Real Time):
videoconferencia compactada
–VBR – NRT: Video on Demand
–Best Effort: Transferência de arquivo.
Nível 3
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5.4.2 - Modelagem de Tráfego
Técnicas de modelagem tentam regular a taxa média dos
fluxos que entram na rede, permitem tratar rajadas curtas.
(b) Balde furado (Leaky bucket): independente da velocidade de
entrada, a saída ocorre a taxa constante R. Se balde cheio até
B, escorre pelas bordas; (a) Se o pacote chega com balde
cheio, espera em uma fila ou é descartado.
(c) Token bucket: retiram-se do balde na medida da demanda,
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não mais que B símbolos. A entrada é na taxa R.
5.4.3 - Escalonamento de pacotes
Algoritmos podem alocar recursos do roteador entre fluxos
concorrentes.
FIFO: Descartam a cauda (os mais novos que não cabem).
Não dá boa QoS.
RED: Descartam aleatoriamente quando fila cresce. Risco.
Rodízio de Fila (Round Robin): Filas diferentes para fluxos
diferentes.
WFQ (Weighted Fair Queueing): rodízio de filas ponderado.
Atribuir um peso a um fluxo que precise de mais banda.
19
Serviços Integrados (IntServ) - 1
RSVP (Resource reSerVation Protocol) para melhorar QoS:
Cada grupo recebe um endereço (multicast), que está no
pacote. Alg. de rota constrói spanning tree com os membros.
Receptor envia msg
de reserva; os
roteadores guardam
a largura de banda
necessária. Quando
msg chegar a origem
a banda foi reservada
em todo o caminho.
(b) ST para 1
(c) ST para 2
Nível 3
20
Serviços Integrados (IntServ) - 2
Exemplo do processo de reserva:
(a) Host 3 solicita um canal ao Host 1;
(b) Host 3 solicita um segundo canal ao Host 2;
(c) Host 5 solicita um canal ao Host 1. No trecho A-E-H já
reservado.
Problema: configurar antecipadam/
os fluxos (“conexão” c/21
Nível 3
muitos fluxos...) e manter estado de cada fluxo nos roteadores.
Serviços Diferenciados (DiffServ) – 1
IntServ tem problemas de escalabilidade: estratégia mais
simples que não exige configuração antecipada nem
envolvimento de todo o caminho: DiffServ.
No domínio do ISP definem-se classes de serviço e são
oferecidos serviços diferenciados a cada classe (usa
campo do cabeçalho IP para a classificação). Classes de
serviço (IETF): (1) Classe de encaminhamento expresso:
=> pouca perda,
atraso e flutuação;
(está comum
marcar VoIP como
expresso).
Nível 3
22
Serviços Diferenciados (DiffServ) – 2
(2) Classe de encaminhamento garantido: mais elaborada:
define 4 classes de prioridade, e 3 classes de descarte,
totalizando 12 classes.
• Uma implementação possível:
Após classificar o pacote quanto a prioridade, passar por
um gerenciador de tráfego, como token bucket que
combina informação de descarte. Roteador pode utilizar
enfileiramento ordenado com rodízio de fila ponderado.
Nível 3
23
5.5 – Interligação de redes
A heterogeneidade veio para ficar! Enquanto não verificarem
que a tecnologia [preencha a gosto] é melhor...
• Diferenças possíveis entre redes relativas à camada de
rede (afora questões físicas como modulação e questões
de enlace como formato do quadro):
Nível 3
24
5.5.2 - Conectar redes - 1
• Camada comum acima que oculta as diferenças das redes;
foi separada nos protocolos TCP e IP de Cerf e Kahn :
Turing Award (2004) – Nobel de Computação.
a) Uma Rede com 3 tipos de rede: WiFi, MPLS (MultiProtocol Label Switching)
e Ethernet; MPLS – protocolo de nível 2.5, orientado a conexão
que cria circuito virtual
Nível 3
25
b) Processamento dos protocolos => necessidade de fragmentação :WiFi/Eth
Conectar redes - 2
• Bridges poderiam fazer esta tradução de um tipo de LAN
para outra, mas as diferenças são tantas que não é mais
comum utilizá-las para isto.
• Hoje, bridges conectam LANs iguais, e roteadores
conectam LANs diferentes: Problemas difíceis de
contornar como tamanho de pacotes diferentes, já tem
um esquema de fragmentação na camada de rede que
pode ser usado.
• O roteador tem habilidade também para lidar com vários
protocolos de rede (IPx, AppleTalk), porém hoje são mais
relevantes IPv4 e IPv6 que não são compatíveis.
• Traduzir pacotes IPv4 para IPv6 e vice-versa pode ser
difícil (128 bits para 32 bits Nível
de 3endereço), então...
26
5.5.3 - Tunelamento
Se a rede de origem é do mesmo tipo da rede de destino,
mas há uma rede diferente entre elas, encapsular os dados
das pontas dentro de pacotes transportados pela rede
intermediária.
Nível 3
27
Fragmentação
Cada rede impõe um tamanho máximo a seus pacotes:
Ethernet:1.500B; WiFi: 2.272B; IP: 65.515B
(a) Pacote original
contendo 10 bytes de
dados
(b) Fragmentos após
passarem por uma rede
que admite 8 bytes de
dados
(c) Fragmentos após
passarem por uma rede
que admite 5 bytes de
dados
Nível 3
28
Descoberta de MTU
MTU – Maximum Transmission Unit
Como cabeçalho de fragmento é transmitido (overhead) e
perder um fragmento implica em perder o pacote
(overhead), é preferível remover a fragmentação,
descobrindo a MTU do caminho.
Roteador liga um bit no cabeçalho IP para não usar
fragmentação e descarta pacote. Quando a origem recebe o
pacote de erro, usa a informação do erro para gerar pacotes
menores. Tarefa migra dos rots para os hosts.
Nível 3
29
5.6 - A Camada de Rede da Internet
Internet: coleção interconectada de muitas redes
IP (Internet Protocol) a camada de rede da Internet
Nível 3
30
O cabeçalho IPv4 - 1
Version: versão do protocolo sendo usado; atualmente há
transição entre IPv4 e IPv6;
IHL: Header Lenght – quantas palavras de 32 bits há no
cabeçalho, pois este não tem tamanho constante; a parte
fixa tem 20 bytes.
Serviços Diferenciados: 6 bits
Nível 3– Classe de Serviço; 2 bits
31 Notificação de congestionamento (ECN);
O cabeçalho IPv4 - 2
Tamanho Total: Inclui cabeçalho e dados. Até 64Kbytes
(Em redes Ethernet o máximo é 1500 bytes.
Identificação: Número identificando a qual pacote este
fragmento pertence.
DF : D´ont fragment: para descoberta da MTU;
Nível 3
32
O cabeçalho IPv4 - 3
MF : More Fragments – para informar que seguem mais
fragmentos – o último fragmento tem este bit desligado;
Deslocamento de fragmento: onde este fragmento se
encaixa no pacote corrente; Múltiplos de 8 bytes.
Time to Live: Iniciado com 255, é decrementado a cada
hop; quando atinge zero o fragmento
é descartado. Evita 33
Nível 3
vida indefinida para um pacote;
O cabeçalho IPv4 - 4
Protocol: Que protocolo de transporte é usado (TCP/UDP);
Header checksum: Deve ser recomputado em cada
roteador, pois no mínimo mudou o campo time to live;
Source Address e Destination Address
Options:Permite incluir informação não presente no projeto
Nível 3
34
original.
Endereços IP
O endereço IP identifica unicamente uma rede e uma
máquina nesta rede.
• O endereço utiliza 4 bytes normalmente escritos em
notação decimal com um ponto como separador.
Possibilidades entre 0.0.0.0 e 255.255.255.255
• Endereços IP são hierárquicos: composto de uma parte
de rede nos bits superiores e uma parte de host nos bits
inferiores => uma rede tem um bloco contíguo de
endereços IP;
• Números de redes são atribuídos pela ICANN (Internet
Corporation for Assigned Names and Numbers) criada
em 1998 para evitar conflitos; delegam endereços à
autoridades regionais.
Nível 3
35
Classes de endereços IP
Definidas inicialmente na Internet (antes de 1993) e não
mais utilizadas:
•
•
•
•
Classe A – 126 redes com 16 milhões de hosts cada;
Classe B – 16.382 redes (214) com 64k (216) hosts cada;
Classe C – 2 milhões de redes (221) com 254 hosts cada.
Classe D – Endereços multicast – para encaminhar um
Nível 3
36
datagrama a múltiplos hosts.
Máscaras de Rede
O tamanho do prefixo corresponde a uma máscara de
sub-rede, com 1s na parte destinada a rede.
Os prefixos são manipulados pelos roteadores que não
precisam conter todos os endereços alcançáveis, mas
apenas todas as redes alcançáveis.
Nível 3
37
Subdivisão de Redes
• É possível subdividir a rede para uso interno, para
melhor organização e aproveitamento do espaço de
endereçamento:
• Suponha uma universidade dona do espaço:
128.208.0.0/16; deixou metade dos endereços para a
CC, ¼ dos endereços para a EE e 1/8 dos endereços
para Artes; esta subdivisão não precisa ser conhecida
externamente.
EE:
1000 0000 1101 0000 00xx....
CC:
1000 0000 1101 0000 1xxx....
Artes:
1000 0000 1101 0000 011x...
Nível 3
38
CIDR:Classless InterDomain Routing
Para diminuir o tamanho das tabelas de rotas combinamse pequenos prefixos em um único prefixo maior, ou seja
que contém mais endereços (agregação de rota). O prefixo
mais abrangente é da super-rede.
Exemplo: A partir de 194.24.0.0 há 8192 (=213) ends em
um bloco disponível. Cambridge solicitou 2048 (=211)
endereços; Oxford solicitou 4096 (=212) endereços;
Edinburgh solicitou 1024 (=210) endereços.
O maior prefixo neste caso é 194.24.0.0/19 que contém o
bloco todo incluindo a porção disponível.
Nível 3
39
Agregação de prefixos IP
Cada faixa atribuída deve ser conhecida pelos roteadores?
Não necessariamente: o roteador de Londres que
conhece as 3 redes, agrega os 3 prefixos em um:
194.24.0.0/19, que é passado para Nova York. NY reduziu
3 entradas para uma.
Nível 3
40
Rota mais específica primeiro
Se São Francisco solicitou 1024 endereços e foi alocado
o bloco que ainda estava disponível (194.24.12.0/22).
Os pacotes devem ser enviados na direção da rota mais
específica, ou do maior prefixo combinado.
Nível 3
41
Tabela de Roteamento
Indica para onde enviar as mensagens.
RIT – Routing Information Table. Indica:
Destino Máscara Gateway
Interface
End. de Máscara
rede ou na subIP
rede
destino
Endereço
Quantos
da
roteadores
Interface atravessar
pela qual
até o
será
destino.
enviada a
mensagem
Próximo
roteador
que possa
entregar
datagrama
Nível 3
Métrica
42
NAT – Network Address Translation
Técnica contra esgotamento de endereços IP:
• Atribuir a cada empresa um único endereço IP válido;
internamente utilizam-se IPs privativos. Na saída do
pacote ocorre conversão para o IP válido.
• Intervalos privativos: (Classe A) 10.0.0.0 ,
(Classe B)172.16.0.0 e (Classe C) 192.168.0.0
Problema: quando o pacote volta endereçado ao IP válido,
como saber para quem devolver a resposta? Manipular
Nível 3
43
porta de origem.
IPv6
(1) Endereços de 16 bytes de comprimento. Suporta
2128 , aproximadamente 3x1038, o que na prática
significa endereços ilimitados; Possibilidade do IPv4:
4.3 bilhões - Hoje estima-se 5.5 bilhões de dispositivos;
(2) Simplificação do cabeçalho: De 13 campos no IPv4
para 7 no IPv6 -> processamento mais rápido nos
roteadores;
(3) Melhor suporte a opções: campos antes necessários,
passam a ser opcionais. O roteador pode saltar opções
não pertinentes.
(4) Avanços em segurança com características de
privacidade e autenticação.
(5) Melhor tratamento de tipo de serviço: com o tráfego
Nível
3
44
multimídia necessita mais
que
8 bits.
Cabeçalho IPv6
Tamanho Fixo: 40 Bytes
Pilha Dupla x Túnel
A quer enviar
mensagem para F. O
IPv4 que há no meio
encapsula o IPv6.
A
B
Ipv6
C
Ipv6
A
Ipv6
D
Ipv4
B
Ipv4
E
C
Ipv6
D
Ipv4
F
Ipv6
Ipv6
Ipv4
E
F
Ipv6
Nível Rede
46
Ipv6