Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II1 Systeme II – 6te Vorlesung Lehrstuhl für Kommunikationssysteme Institut für Informatik / Technische Fakultät.

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1 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II1 Systeme II – 6te Vorlesung Lehrstuhl für Kommunikationssysteme Institut für Informatik / Technische Fakultät Universität Freiburg 2009

2 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II2 Letzte Vorlesung Dynamisches IP-Routing Dezentraler Algorithmus, Distance Vector -Arbeitet lokal in jedem Router -Verbreitet lokale Information im Netzwerk Eigenschaften: Gute Nachrichten verbreiten sich schnell Neue Verbindung wird schnell veröffentlicht Schlechte Nachrichten verbreiten sich langsam Verbindung fällt aus, Nachbarn erhöhen wechselseitig ihre Entfernung -> Count to Infinity-Problem

3 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II3 Letzte Vorlesung Versuche zur Lösung des Count-to- Infinity-Problems Split-Horizon Poison-Reverse Bedingt erfolgreich Implementierung von Distance Vector mit einfacher Hop- Count-Metrik RIP (II) Regelmäßige Updates/Keep-Alive per Advertisment-Paketen (UDP, ziemlich unsicher) Falls keine Updates empfangen, Ungültig-Erklären von Routen nach gewisser Zeit

4 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II4 Internet Protocol – zentraler Ansatz Dezentraler Ansatz in der letzten Vorlesung Jeder Router verschafft sich eigenes Bild des Netzes Tabellen werden anhand dieser Informationen aktualisiert Einige Nachteile, die innerhalb des Ansatzes nicht lösbar Alternative: Zentraler Algorithmus, z.B. Link State -Einer/jeder kennt alle Information, muss diese erfahren Wieder zentrales Problem: Optimale Bestimmung der Weglängen zwischen einzelnen Knoten im Netz

5 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II5 Das Kürzeste-Wege-Problem

6 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II6 Kürzestes Wege Routing Shortest Path - oft eingesetztes Routing-Prinzip, da einfach zu verstehen und umzusetzen Idee: Generieren eines Graphen des (Teil-)Netzes, wobei jeder Knoten einen Router und jeder Verbindungsstrich einen Link repräsentiert Zur Ermittlung einer Route zwischen zwei gegebenen Knoten muss der Algorithmus nur den kürzesten Weg im Graphen bestimmen Dabei spielt jedoch die Metrik für die Bestimmung des kürzesten Weges eine Rolle -Zahl der Hops (Router-Durchgänge) -Physikalische Entfernung, Bandbreite, Verzögerung,... -(Finanz.) Kosten, durchschnittliche Warteschlangenlänge,...

7 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II7 Kürzestes Wege Routing Konvention: Fettgedruckte Zahlen stehen für Knoten, die kleineren normal gesetzten für die abstrakten Kosten eines Teilwegs Das impliziert Unterschiede: So hat die Hop-Count-Metrik identische Kosten für 1-2-3 und 1-2-5 Geografisch gesehen ist aber 1-2-5 deutlich kürzer (wenn man von korrekter Skalierung ausgeht)

8 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II8 Kürzestes Wege Routing Alternative Metriken können bspw. durch regelmäßige Messungen bestimmt werden Metrik-Kombinationen möglich Lediglich geeignete Abbildung auf Pfadkosten-Wert zur Verwendung in Algorithmus notwendig Ein zentraler Algorithmus zur Bestimmung des kürzesten Pfads ist Dijkstra's: Jeder Knoten wird durch ein Tupel aus Entfernung von der Quelle und dem vorherigen Knoten bezeichnet, initial ist dieses Label leer Während der Algorithmus voranschreitet, können sich Label ändern, um bessere Wege zu reflektieren

9 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II9 Kürzestes Wege Routing Dijkstra's Algorithmus: Das Beispiel sucht den kürzesten Weg von Punkt 1 (links) zu Punkt 4 (rechts) Man interpretiere die Wegelängen beispielsweise geografisch Gestartet wird in 1, der kürzeste Weg ist offensichtlich der zu Punkt 2, der entsprechend markiert wird

10 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II10 Kürzestes Wege Routing Die beiden Nachbarn von 1 (2 und 7) wurden betrachtet und 2 ausgewählt, das wird entsprechend wiederholt Bisherige Pfadlänge wird mit berücksichtigt (aufaddiert) Die betroffenen Knoten werden entsprechend markiert, hier die Knoten 3 und 5 Knoten werden bei Bedarf neu beschriftet, wenn sich bessere (kürzere Pfade) ergeben

11 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II11 Kürzestes Wege Routing Weitere Knoten werden markiert (6) Knoten können mehrfach besucht werden (z.B. 7) Im Schritt von Knoten 5 muss der Knoten 7 neu beschriftet werden (6,1) -> (5,5)

12 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II12 Kürzestes Wege Routing Der Weg via 2, 3, 5 ist um 1 kürzer als der direkte von Knoten 1 Nächste Schritt zeigt, dass der Weg via 7 zu Knoten 8 länger ausfällt als via 5 über 6 zu Knoten 8 Nun sind die meisten Knoten beschriftet...

13 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II13 Kürzestes Wege Routing Der letzte Schritt zeigt, dass Knoten 8 mit (9,7) -> (8,6) umbeschriftet wurde Es gibt eine bessere Route zu Knoten 8 1 – 2 – 5 – 7 – 8 (4 Hops mit Pfadkosten von 9) 1 – 2 – 5 – 6 – 8 (4 Hops mit Pfadkosten von 8)

14 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II14 Kürzestes Wege Routing Zur Ermittlung des vollen Pfads startet man vom Ziel und arbeitet sich rückwärts anhand der Label (zweiter Eintrag) vor Am Ende kommt ein Pfad 1 – 2 – 5 – 6 – 8 – 4 heraus Achtung: Die ermittelte Route ist optimal in Pfadkosten und nicht in Hops

15 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II15 Kürzestes Wege Routing Dijkstra's kürzester Weg Der einfache Hop-Count würde eine Route von 1 – 2 – 3 – 4 bevorzugen (Pfadkosten von 12 sind deutlich höher) oder 1 – 7 – 8 – 4 (selbe Pfadkosten) Wäre damit 2 Einheiten höher als die vorher bestimmte Route

16 16 Kürzeste Wege mit Edsger Wybe Dijkstra Dijkstras Kürzeste-Wege- Algorithmus kann mit Laufzeit Θ(|E| + |V| log |V|) implementiert werden

17 17 Link-State Protocol Link State Router tauschen Information mittels Link State Packets (LSP) aus Jeder verwendet einen eigenen Kürzeste-Wege- Algorithmus zu Anpassung der Routing-Tabelle LSP enthält ID des LSP erzeugenden Knotens Kosten dieses Knotens zu jedem direkten Nachbarn Sequenznr. (SEQNO) TTL-Feld für dieses Feld (time to live)

18 18 Systeme II Sommer 2008 Link-State Protocol Verlässliches Fluten (Reliable Flooding) Die aktuellen LSP jedes Knoten werden gespeichert Weiterleitung der LSP zu allen Nachbarn -bis auf den Knoten der diese ausgeliefert hat Periodisches Erzeugen neuer LSPs -mit steigender SEQNOs Verringern der TTL bei jedem Weiterleiten

19 19 Bellman-Ford Bei negativen Kantengewichten versagt Dijkstras Algorithmus Bellman-Ford löst dies in Laufzeit O(|V| |E|)

20 20 Systeme II Sommer 2008 Die Grenzen des flachen Routing Link State Routing benötigt O(g n) Einträge für n Router mit maximalen Grad g Jeder Knoten muss an jeden anderen seine Informationen senden Distance Vector benötigt O(g n) Einträge kann Schleifen einrichten Konvergenzzeit steigt mit Netzwerkgröße Im Internet gibt es mehr als 10 6 Router damit sind diese so genannten flachen Verfahren nicht einsetzbar Lösung: Hierarchisches Routing

21 21 Systeme II Sommer 2008 AS, Intra-AS und Inter-AS Autonomous System (AS) liefert ein zwei Schichten-Modell des Routing im Internet Beispiele für AS: -uni-freiburg.de Intra-AS-Routing (Interior Gateway Protocol) ist Routing innerhalb der AS z.B. RIP, OSPF, IGRP,... Inter-AS-Routing (Exterior Gateway Protocol) Übergabepunkte sind Gateways ist vollkommen dezentrales Routing Jeder kann seine Optimierungskriterien vorgeben z.B. EGP (früher), BGP

22 22 Systeme II Sommer 2008 Typen autonomer Systeme Stub-AS Nur eine Verbindung zu anderen AS Multihomed AS Verbindungen zu anderen ASen weigert sich aber Verkehr für andere zu befördern Transit AS Mehrere Verbindungen Leitet fremde Nachrichten durch (z.B. ISP) Backbone service provider 2Backbone service provider 1 Consumer ISP 1 Consumer ISP 2 Large company Small company 1 Small company 2 Peering point 22

23 23 Systeme II Sommer 2008 Intra-AS OSPF (Open Shortest Path First) open = öffentlich verfügbar Link-State-Algorithmus LS Paket-Verbreitung Topologie wird in jedem Knoten abgebildet Routenberechnung mit Dijkstras Algorithmus OSPF-Advertisment per TCP, erhöht Sicherheit (security) werden in die gesamte AS geflutet Mehrere Wege gleicher Kosten möglich

24 24 Intra-AS: Hierarchisches OSPF Für große Netzwerke zwei Ebenen: Lokales Gebiet und Rückgrat (backbone) -Lokal: Link-state advertisement -Jeder Knoten berechnet nur Richtung zu den Netzen in anderen lokalen Gebieten

25 25 Intra-AS: Hierarchisches OSPF Local Area Border Router: Fassen die Distanzen in das eigene lokale Gebiet zusammen Bieten diese den anderen Area Border Routern an (per Advertisement) Backbone Routers verwenden OSPF beschränkt auf das Rückgrat (backbone) Boundary Routers: verbinden zu anderen AS

26 26 Systeme II Sommer 2008 Intra-AS: IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) CISCO-Protokoll, Nachfolger von RIP (1980er) Distance-Vector-Protokoll, wie RIP Hold time Split Horizon Poison Reverse Verschiedene Kostenmetriken Delay, Bandwidth, Reliability, Load etc. Verwendet TCP für den Austausch von Routing Updates

27 27 Inter-AS-Routing Inter-AS-Routing ist schwierig... Organisationen können Durchleitung von Nachrichten verweigern Politische Anforderungen -Weiterleitung durch andere Länder? -Politische Systeme, verschiedene Modelle des Internet-Betriebs

28 28 Inter-AS-Routing Inter-AS-Routing ist schwierig... Routing-Metriken der verschiedenen autonomen Systeme sind oftmals nicht vergleichbar -Wegeoptimierung unmöglich! -Inter-AS-Routing versucht wenigstens Erreichbarkeit der Knoten zu ermöglichen Größe: momentan müssen Inter-Domain-Router mehr als 140.000 Netzwerke kennen

29 29 Inter-AS: BGPv4 BGP – Border Gateway Protocol Ist faktisch der Standard Path-Vector-Protocol ähnlich wie Distance Vector Protocol -es werden aber ganze Pfade zum Ziel gespeichert jeder Border Gateway teilt all seinen Nachbarn (peers) den gesamten Pfad (Folge von ASen) zum Ziel mit (advertisement) (per TCP)

30 30 Inter-AS: BGPv4 Falls Gateway X den Pfad zum Peer-Gateway W sendet dann kann W den Pfad wählen oder auch nicht Optimierungskriterien: -Kosten, Politik, etc. Falls W den Pfad von X wählt, dann publiziert er -Path(W,Z) = (W, Path (X,Z)) Anmerkung X kann den eingehenden Verkehr kontrollieren durch Senden von Advertisements Sehr kompliziertes Protokoll

31 31 Systeme II Sommer 2008 BGP-Routing Tabellengröße 1990-2002 http://www.mcvax.org/~jhma/routing/bgp-hist.html

32 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme - Systeme II32 Informatik IIIWinter 2007/08Informatik IIIWinter 2007/08 Rechnernetze und TelematikAlbert-Ludwig-Universität FreiburgChristian SchindelhauerRechnernetze und TelematikAlbert-Ludwig-Universität FreiburgChristian Schindelhauer Ende der sechsten Vorlesung Vorerst Abschluss von IP als Protokoll der Vermittlungsschicht (OSI Layer 3) – wird in späteren Vorlesungen nochmal theoretisch kurz aufgenommen... Nun Schichtenmodell von oben... Nächste Vorlesung am Mittag an diesem Ort, gleiche Zeit: Neuer Themenbereich – Ausgewählte Protokolle der Applikationsschicht (Start mit DNS, dann WWW, Email) An theoretischen Übungszettel #2 denken, neuer Übungszettel am Mittwoch Alle relevanten Informationen auf der Webseite zur Vorlesung: http://www.ks.uni- freiburg.de/php_veranstaltungsdetail.php?id=28 http://www.ks.uni- freiburg.de/php_veranstaltungsdetail.php?id=28 Vorbereitung: Lesen der entsprechenden Kapitel zur Applikationsschicht in der angegebenen Literatur!