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Encaminhadores IP Sistemas Telemáticos 2002/2003 LESI Grupo de Comunicações por Computador Departamento de Informática Universidade do Minho.

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1 Encaminhadores IP Sistemas Telemáticos 2002/2003 LESI Grupo de Comunicações por Computador Departamento de Informática Universidade do Minho

2 Fontes utilizadas Alguns materiais de –Scott Karlin and Larry Peterson –Zhenhai Duan –N. stanford.edu; –S. cornell.edu Artigo –IP Routers Architecture: An Overview, James Aweya, acessível na net.

3 A Internet é um grafo de encaminhadores ! O Núcleo da Internet RouterIP de Núcleo Router de IP de Periferia

4 Qual o aspecto dos comutadores /encaminhadores? Encaminhadores De acesso e.g. ISDN, ADSL Encaminhador de Núcleo Comutador ATM de Núcleo

5 Componentes dum Encaminhador Genérico

6 Processamento de um pacote num encaminhador IP 1.Aceitar o pacote de uma ligação de entrada 2.Localizar o endereço de destino do pacote na tabela de expedição, para identificar a(s) porta de saida. 3.Manipular o cabeçalho do pacote: decrementar o TTL e calcular a soma de verificação do cabeçalho. 4.Enviar o pacote para a(s) portas de saída. 5.Colocar o pacote na fila de espera 6.Transmitir o pacote pela linha de saída

7 Interior dum Encaminhador IP melhor esforço

8 Outra visão dum Encaminhador IP Plano de Controlo Plano de Dados Processamento por Pacote Comutação Tabela de expedição Tabela de Encaminhamento Protocolos de Encaminhamento

9 Componentes Arquitecturais Básicos Plano de dados: processamento por pacote 2. Interconexão 3. Egresso Tabela de Expedição Decisão de expedição 1. Ingresso Tabela de Expedição Decisão de expedição Tabela de Expedição Decisão de expedição

10 Interconexões Duas Técnicas Básicas Filas de Espera de Entrada Normalmente uma switch fabric não bloqueante (e.g. crossbar) Normalmente um barramento rápido Filas de Espera de Saída

11 Interconexões Filas de Espera de Saída Filas de Saída Individuais Memória centralizada partilhada LB da Memória = (N+1).R 1 2 N LB Memória = 2N.R 1 2 N

12 Saída 2 Saída N Interconexões Comutação via Memória Partilhada Um buffer simples em memória alocado dinamicamente : N escritas por tempo de célula N leituras por tempo de célula Limitado pela largura de banda da memória Entrada 1Saída 1 Entrada N Entrada 2 Inúmeros trabalhos provaram e tornaram possível: –Equidade(Fairness) –Garantia de atraso –Controlo de jitter –Garantia de Perdas –Garantias estatísticas

13 Filas de Espera de Saída Quão rápida pode ser a memória partilhada? Memória Partilhada Barramento de 200 byte SRAM de 5 ns 1 2 N 5ns por operação de memória 2 operações de memória por pacote Portanto até um máximo de 160Gb/s Na prática a velocidade de comutação é próxima de 80Gb/s

14 Interconexões Filas de Espera de Entrada com Crossbar configuração Dados de Entrada Dados de Saída LB Memória = 2R

15 Fila de Espera de Entrada Bloqueio de Topo de Linha ( Head of Line Blocking) Atarso Carga 58.6% 100%

16 Head of Line Blocking

17 Fila de Espera de Entrada Filas de Espera de Saída Virtuais

18 Atraso Carga 100%

19 Fila de Espera de Entrada Filas de Espera de Saída Virtuais Arbiter LB Memória = 2R Complexo !

20 Engenho de Expedição cabeçalho dados Pacote Router Endereço de destino Porta de saída Rede destino Porta Tabela de Expedição Estrutura de Dados para localização do encaminhamento / / /

21 / / / Ex. de Tabela de Expedição Prefixo IP de DestinoPorta de saída / / /197 Prefixo IP : 0-32 bits Tamanho do Prefixo

22 Prefixos podem sobrepor-se / / /24 Lookup de encaminhamento: Encontre o maior prefixo que unifique (i.e. a rota mais específica) entre todos os prefixos que unifiquem com endereço de destino / / / Maior prefixo que unifique

23 Valores de prefixo Comprimento do Prefixo / / /8 Dificuldade da unificação com o prefixo mais longo / / /21 Busca bi-dimensional: - Comprimento do prefixo - Valor do Prefixo

24 Lookup da Tabela de Encaminhamento Não é nada fácil! A operação de busca não é uma unificação exacta –O lookup directo precisa de 4G entradas (32 bits no endereço IP) –Unificação com o maior prefixo Tabelas de Hash Árvores balanceadas

25 Tamanho da Tabela de Expedição Fonte Ano Número de Prefixos 10,000/ano

26 Trees e Tries Binary Search Tree <> <><> log 2 N N entries Binary Search Trie

27 Trees and Tries Multiway tries 16-ary Search Trie 0000, ptr1111, ptr 0000, 01111, ptr , , ptr

28 Problema CIDR Aloque endereços de forma tão sequencial quanto possível dos seguintes pedidos de endereços. O último endereço usado para o último pedido foi Rede A Hosts Rede B B Hosts Rede C - 16,384 Hosts Rede D Hosts Rede E Hosts –Para cada rede mostre o endereço de rede, a máscara e a gama de endereços.

29 Problema CIDR Satisfaça os mesmos pedidos do problema anterior sem CIDR –Indique para cada rede o endereço de rede e como os endereços seriam alocados Compare esta solução com a anterior e diga quantos endereços eram desperdiçados (poupados).

30 Encaminhamento com CIDR A tabela de encaminhamento seguinte usa CIDR (Classless Inter-Domain Routing). Os endereços estão em hexadecimal. A notação "/12" em C / 12 indica uma máscara de rede com os primeiros 12 bits isto é FF.F Observe que as três últimas entradas cobrem todo o espaço de endereçamento e constituem rota por defeito. Diga para onde serão expedidos os pacotes com os seguintes endereços de destino: a.C4.5E b. C4.5E C. C d.5E a.A b.A c.E d.F

31 Discussão Discuta a adopção da abordagem CIDR (Classless Inter-Domain Routing) referindo –problemas que permite resolver – a complexidade introduzida no procedimento de expedição de pacotes

32 Interiores dum Encaminhador IP com QOS

33 Encaminhador com QoS Que diferenças básicas existem entre um encaminhador melhor esforço e um encaminhador com qualidade de serviço? Que módulos adicionais existem e para que servem?

34 Componentes Arquitecturais Básicos dum Router com QoS Policiamento Escalonamento da Saída Comutação Encaminhamento Controlo de Congestão Reservas Controlo de Admissão Controlo Fluxo de dados processamento por pacote

35 Componentes arquitecturais básicos Percurso de dados: processamento por pacote 2. Interconexão 3. Egresso Tabela de Expedição Tabela de classificação Policiamento & Contrlo de Accessos Decisão de Expedição 1. Ingresso Tabela de Expedição Tabela de classificação Policiamento & Contrlo de Accessos Decisão de Expedição Tabela de Expedição Tabela de classificação Policiamento & Contrlo de Accessos Decisão de Expedição Limitação: LB Memória Limitação: LB Interconexão Energia & Arbitragem Limitação: LB Memória

36 Evolução dos Encaminhadores IP

37 Routers IP de Primeira Geração A maioria dos switches Ethernet e routers mais baratos O Estrangulamento pode ser o CPU, barramento de I/O ou host adaptor O que é mais caro? Barramento? Memória? Interface? CPU? Shared Backplane Line Interface CPU Memory CPU Buffer Memory Line Interface DMA MAC Line Interface DMA MAC Line Interface DMA MAC

38 Output 2 Output N Routers IP de Primeira Geração Estrutura de Filas: Memória Partilhada Um buffer simples em memória alocado dinamicamente : N escritas per cell time N leituras per cell time. Limitado pela largura de banda da memória Entrada 1Output 1 Entrada N Entrada 2 Inúmeros trabalhos provaram e tornaram possível: –Equidade(Fairness) –Garantia de atraso –Controlo de jitter –Garantia de Perdas –Garantias estatísticas

39 Routers IP de Segunda Geração CPU Buffer Memory Line Card DMA MAC LocalBufferMemory Line Card DMA MAC LocalBufferMemory Line Card DMA MAC LocalBufferMemory Correspondência de portas nas placas de interface Alta % de acertos na cache local para lookups O que é mais $? Bus? Memória? Interface? CPU?

40 Routers IP de Segunda Geração Estruturas combinadas de filas de entrada e saída Bus 1 escrita por tempo de célula 1 leitura por tempo de célula Taxa de E/L determinada pela velocidade do bus

41 Switches/Routers de 3ª Geração Line Card MAC Local Buffer Memory CPU Card Line Card MAC Local Buffer Memory Switched Backplane Line Interface CPU Memory Disponibiliza percursos paralelos (switching fabric) O que é mais $? Bus? Memória, CPU?

42 Arbiter Switches/Routers de 3ª Geração Estrutura de filas de espera Switch 1 escrita por tempo de célula 1 leitura por tempo de célula Taxa de E/L determinada pela capacidade a fabric speedup Tipicamente <50Gb/s capacidade agregada

43 Routers/Switches de 4ª Geração Switch Core Linecards Ligações ópticas 100s of feet

44 Separação física entre o núcleo de comutação e as cartas de linha Distribui energia por vários armários. Permite todo armazenamento (buffering) colocado nas placas de linha: –Reduz energia. –Coloca a complexidade (escalonamento, gestão de buffers, política de descarte de pacotes, etc…) na placa de linha

45 Switch Core Linecards Ligações ópticas 100s of feet Protocolo LCS Routers/Switches de 4ª Geração

46 Routers/Switches de 4ª Geração Estruturas de filas de espera 1 escrita por tempo de célula 1 leitura por tempo de célula Velociadade de Escrita/leitura Determinadas pela velocidade da switching fabric Lookup & Política de descrate Escalonamento de saída Filas de espera de saída virtuais Escalonamento de saída Escalonamento de saída Switch Fabric Switch Arbitration Linecard Switch Core (Bufferless) Lookup & Política de descrate Lookup & Política de descrate Tipicamente <5Tb/s capacidade agregada

47 Problemas dos Fabricantes Rápida expedição (lookup de rotas) Identificação de Fluxos –Percurso rápido de expedição Suporte de QoS –Routers de núcleo, empresa ou acesso –A simplicidade é a chave do sucesso Fiabilidade(estabilidade) de routers de alta velocidade –Energia dual –Percursos de dados duplicados Facilidade de configuração –Má configuração é outro problema sério Possibilidade de contabilização


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