Introduccion a La Capa de Red
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11-11-2013
Comunicacin de Datos y Redes
Catedra # 12: Capa de red
Profesor Patricio GaldamesDepartamento de Sistemas de Informacin, Universidad del Bo-Bo, [email protected] de Consulta:
Catedra #12
Network Layer 4-2
Capa de red
Objetivos:Comprender los principios en los que se basan
los servicios de la capa de red: Modelos de servicios de la capa de red
Reenvo versus ruteo
Como un router funciona
ruteo (seleccin de un camino)
broadcast, multicast
instanciacin, implementacin en la Internet
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Introduccin
Circuitos virtuales y redes de datagramas
Que hay dentro de un router
IP: Protocolo Internet Formato datagrama
Direccionamiento IPv4
ICMP
IPv6
Algoritmos de ruteo Estado del enlace (link
state)
Vector de distancias (distance vector)
Ruteo jerrquico
Ruteo en la Internet RIP
OSPF
BGP
Broadcast y ruteo de multicast
Temas de la capa de red
Catedra #12
Capa de red
transporta segmentos desde el host fuente al host destino
El host fuente encapsula los segmentos en datagramas
El host destino entrega segmentos a la capa de transporte
Protocolos de red estn presente en cada host, router
router examina campos de cabecera en todos los datagramas IP que pasan por el
applicationtransportnetworkdata linkphysical
applicationtransportnetworkdata linkphysical
networkdata linkphysical network
data linkphysical
networkdata linkphysical
networkdata linkphysical
networkdata linkphysical
networkdata linkphysical
networkdata linkphysical
networkdata linkphysical
networkdata linkphysical
networkdata linkphysicalnetwork
data linkphysical
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Catedra #12
Dos funciones claves de la capa de red
Reenvi (Forwarding ):mover paquetes desde la entrada del router a la salida apropiada del router
Ruteo (routing): determina la ruta tomada por los paquetes desde la fuente al destino.
Algoritmos de ruteo
analoga:
ruteo: proceso de planificar un viaje desde el origen al destino
reenvo: proceso de transitar a travs de un cruce
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Catedra #12
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0111
valor cabecera delpaquete recibido
Algoritmo de ruteo
Tabla local de reenviosvalor cabec. Enlace sal.
0100010101111001
3221
Relacin entre ruteo y reenvo
Algoritmos de ruteo determinan la ruta a travs de la red
Tabla de reenvo determinael reenvi local en este router
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Establecimiento de Conexin
Fuera de ruteo y re-envo, sta es la 3ra funcin de importancia en algunas arquitecturas de redes: ATM, frame relay, X.25
Antes que los datagramas fluyan, los dos hosts y los routers que intervienen establecen una conexin virtual Routers se involucran
Servicios de conexin de capas Red vs los de la capa de Transporte: Red: Entre dos hosts
Transporte: entre dos procesos
11-11-2013 Catedra #12
Modelos de servicio de Red
P: Cul es el modelo de servicio para el canal que transporta los datagramas desde Fuente a Receptor?
Ejemplo: servicio para datagramas individuales:
Entrega garantizada
Entrega garantizada con retardo inferior a 40 [ms]
Ejemplo: Servicio para un flujo de datagramas:
Entrega de datagramas en orden
Garanta de bandwidth mnimo para el flujo
Restricciones sobre cambios en el espacio (tiempo) entre paquetes
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Modelos de servicio de Capa de red:
Arquitecturade la Red
Internet
ATM
ATM
Modelode servicio
best effort
CBR
ABR
Bandwidth
none
constantrateguaranteed minimum
Loss
no
yes
no
Order
no
yes
yes
Timing
no
yes
no
Realimentacinde Congestin
no (inferidava prdidas)nocongestinyes
Garantas ?
CBR: Constant bit rate ABR: Available bit rate
11-11-2013 Catedra #12
Introduccin
Circuitos virtuales y redes de datagramas
Que hay dentro de un router
IP: Protocolo Internet Formato datagrama
Direccionamiento IPv4
ICMP
IPv6
Algoritmos de ruteo Estado del enlace (link
state)
Vector de distancias (distance vector)
Ruteo jerrquico
Ruteo en la Internet RIP
OSPF
BGP
Broadcast y ruteo de multicast
Revisin
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Servicios de conexin y sin conexin de la capa de red
Las redes de datagramas proveen servicio sin conexin en su capa de red
Redes de VC proveen servicio de conexin en su capa de red
Anlogo a los servicios de capa transporte, pero: Servicio es: host-a-host
No hay opcin: la capa de red provee slo uno
Implementacin: es hecha en la red interna (core)
11-11-2013 Catedra #12
Circuitos virtuales (VC)
Hay tres fases identificables: Establecimiento de la llamada,
Transferencia de datos, y
Trmino de la llamada
Cada paquete lleva un identificador del VC (no direccin de mquina destino)
Cada router en el camino de fuente a destino mantiene el estado por cada conexin que pasa por l
Enlace y recursos del router (ancho de banda, buffers) pueden ser asignados al VC
Camino de fuente a destino se comporta como un circuito telefnico
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Implementacin de VC
Un VC consiste de:1. Camino desde fuente a destino2. Nmero de VC, un nmero por cada enlace a lo largo del
camino3. Entradas en tablas de re-envo en los routers a lo largo
del camino
Los paquetes que pertenecen a un VC llevan el nmero de VC correspondiente.
El nmero de VC debe ser cambiado en cada enlace.
El nuevo nmero de VC es tomado de la tabla de re-envo
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Catedra #12
Tabla de Reenvo VC
12 22 32
1 23
Numero VC Numerointerfaz
Interfaz de llegada VC de Llegada Interfaz de salida VC de salida
1 12 3 222 63 1 18 3 7 2 171 97 3 87
Tabla de reenvodel router :
RoutersVC mantienen informacin del estado de la conexin!11-11-2013
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Catedra #12
applicationtransportnetworkdata linkphysical
Circuitos Virtuales: protocolos de sealizacin
usado para establecer, mantener y cerrar VC
usado en ATM (Asynchronous Transfer Mode), frame-relay, X.25
No es usado en la Internet actual
1. initiate call 2. incoming call3. accept call4. call connected
5. data flow begins 6. receive dataapplicationtransportnetworkdata linkphysical
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Catedra #12
Red de Datagramas
No hay llamada de establecimiento en capa de red
Routers: no se mantiene estado de las conexiones de extremo a extremo A nivel de red no hay concepto de conexin
Paquetes reenviados usando direccin de host de destino
1. send datagrams
applicationtransportnetworkdata linkphysical
applicationtransportnetworkdata linkphysical
2. receive datagrams
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Catedra #12
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Tabla de Reenvo de Datagramas
Direccin IP destino en Cabecera del paquete que llega
Algoritmo de ruteo
Tabla local de ReenviosDireccion dest Enlace sal
address-range 1address-range 2address-range 3address-range 4
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4 mil millones de direcciones IP, en vez de mantener una lista de direcciones individuales es mejor mantener una lista de rango de direcciones (tabla de agregacin)
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Catedra #12
Rango de direcciones de destino
11001000 00010111 00010000 00000000hasta11001000 00010111 00010111 11111111
11001000 00010111 00011000 00000000hasta11001000 00010111 00011000 11111111
11001000 00010111 00011001 00000000hasta11001000 00010111 00011111 11111111
sino
Interfaz enlace
0
1
2
3
P: Pero, que pasa si los rangos no se dividen tan claramente?
Tabla de Reenvo de Datagramas
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El prefijo mas largo coincidente
Rango de direcciones de destino
11001000 00010111 00010*** *********
11001000 00010111 00011000 *********
11001000 00010111 00011*** *********
sino
DD: 11001000 00010111 00011000 10101010
Ejemplos:DD: 11001000 00010111 00010110 10100001 Cual interfaz?
Cual interfaz?
Cuando se busca por una entrada en la tabla de reenvo dada una direccin de destino, se usa el prefijo de direccin mas larga que coincida con la direccin de destino.
El prefijo mas largo coincidente
Interfaz enlace
0
1
2
3
11-11-2013Catedra #12
Red de Datagrama o de VC: Por qu?Internet (Datagrama) Datos intercambiados entre
computadores Servicio elstico, sin
requerimientos de tiempo estricto.
Sistemas terminales inteligentes (computadores) Se pueden adaptar, hacer
control, recuperacin de errores
Red interna simple, la complejidad en periferia
Muchos tipos de enlaces Caractersticas diferentes:
satlite, radio, fibra, cable Es difcil uniformar servicios:
tasas, prdidas, BW
ATM (VC) Evoluciona desde telefona
Conversacin humana:
Tiempos estrictos, requerimientos de confiabilidad
Necesidad de servicios garantizados
Sistemas terminales torpes
telfonos
Complejidad dentro de la red
11-11-2013 Catedra #12
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Introduccin
Circuitos virtuales y redes de datagramas
Que hay dentro de un router
IP: Protocolo Internet Formato datagrama
Direccionamiento IPv4
ICMP
IPv6
Algoritmos de ruteo Estado del enlace (link
state)
Vector de distancias (distance vector)
Ruteo jerrquico
Ruteo en la Internet RIP
OSPF
BGP
Broadcast y ruteo de multicast
Revisin
Arquitectura de Routers: Generalidades
Dos funciones claves de routers: Correr algoritmos/protocolos de ruteo (RIP, OSPF,
BGP) re-envo de datagramas desde enlaces de entrada a
salida
(structure)
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Catedra #12
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Funciones de las puerta de entrada
Conmutacin Descentralizada: Dada la direccin destino de datagrama, se
obtiene puerto de salida usando la tabla de re-envo en memoria del puerto de entrada
objetivo: procesamiento completo en puerto de entrada a velocidad de la lnea
Hacer cola si datagramas llegan ms rpido que tasa de re-envo a la estructura de switches
Capa fsica: Recepcin nivel de bits
Capa enlace datos:e.g., Ethernet
(ms adelante)
11-11-2013 Catedra #12
Catedra #12
Redes de conmutacin
Transfiere paquetes desde el buffer de entrada a al buffer de salida apropiado
Tasa de conmutacin: tasa a la cual los paquetes son transferidos desde las entradas a las salidas Se mide en mltiplos de la tasa de la lnea de entrada/salida
N entradas: tasa de conmutacin es N veces la tasa de la lnea
Tres tipos de estructuras de switches
memory
memory
bus crossbar11-11-2013
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Catedra #12
Conmutacin va memoria
Primera generacin de routers: Computadores tradicionales con conmutacin
controlada por CPU
Paquetes son copiados a la memoria del sistema
velocidad limitada por ancho de banda de la memoria (2 cruces del bus por datagrama)
inputport(e.g.,
Ethernet)
memoryoutputport(e.g.,
Ethernet)
system bus
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Conmutacin va Bus
Datagramas transitan desde la memoria del puerto de entrada a la memoria del puerto de salida va un bus compartidos
Contencin en bus: rapidez de conmutacin limitada por ancho de banda del bus
Bus de 1 Gbps, Cisco 1900: rapidez suficiente para routers de acceso y de empresas (no router regional o backbone)
11-11-2013 Catedra #12
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Conmutacin va una red de interconexin
Supera limitaciones de ancho de banda del bus
Redes de interconexin originalmente desarrolladas para conectar procesadores en multi-procesadores
Diseo avanzado: fragmentacin de datagramas en celdas de tamao fijo, las cuales pueden ser conmutadas en la estructura ms rpidamente.
Cisco 12000: conmuta 60 Gbps a travs de la red de interconexin
11-11-2013 Catedra #12
Puertos de Salida
Almacenamiento (Buffering) requerido cuando datagramas llegan desde la estructura de switches ms rpido que la tasa de transmisin
Disciplina de itinerario (Scheduling) escoge entre los datagramas encolados para transmisin
11-11-2013 Catedra #12
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Encolamiento en puerto de salida
Almacenamiento cuando la tasa de llegada del switch excede la rapidez de la lnea de salida.
Retardo en cola y prdidas debido a que el buffer puede rebalsarse!
11-11-2013 Catedra #12
Encolamiento en puerto de entrada Redes de interconexin ms lenta que las puertas de
entradas combinadas -> encolamiento puede ocurrir en colas de entrada
Bloqueo de inicio de cola: datagramas encolados al inicio de la cola impiden que otros en la cola puedan seguir
Retardo en colas y prdidas debido a rebalse de buffer de entrada!
HOL:Head-Of-the-Line11-11-2013 Catedra #12
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Polticas de descarte y envo
Descarte al ingresar a la cola: Drop-tail: descartar el que llega cuando no hay espacio
Random Early Detection (RED): A la llegada de un paquete ste es marcado (para su eliminacin posterior para hacer espacio en caso que la cola se llene) o descartado dependiendo del largo promedio de la cola.
Para el envo de paquetes: First-Come-First-Served (FCFS): como cola de banco.
Weighted Fair Queuing (WFQ): comparte el ancho de banda de salida equitativamente entre las conexiones de extremo a extremo (requiere manejar ms informacin de estado).
11-11-2013 Catedra #12
Que tan grande debe ser un buffer?
RFC 3439 recomienda: tamao promedio de un buffer igual al RTT tpico ( 250 mseg) veces la capacidad C del enlace e.g., C = 10 Gpbs buffer del enlace: 2.5 Gbit
Recomendacin reciente con N flujos, el tamao del buffer es igual a RTT C.
N
11-11-2013 Catedra #12
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Introduccin
Circuitos virtuales y redes de datagramas
Que hay dentro de un router
IP: Protocolo Internet Formato datagrama
Direccionamiento IPv4
ICMP
IPv6
Algoritmos de ruteo Estado del enlace (link
state)
Vector de distancias (distance vector)
Ruteo jerrquico
Ruteo en la Internet RIP
OSPF
BGP
Broadcast y ruteo de multicast
Revisin