Objectivo:

1

Estudar as funções, comutação e protocolos da camada de rede:

• Comutação de circuitos;

• Comutação de circuitos virtuais;

• Algoritmos de roteamento;

Comutação na camada de Rede

Camada de Rede

• Protocolos da camada de Rede em cada estação, roteador

• Transporta pacotes da estação de origem à receptora:

– determinação do caminho: rota seguida por pacotes da origem ao destino. Algoritmos de roteamento.

– comutação: mover pacotes dentro do roteador da entrada à saída apropriada.

– estabelecimento da chamada: algumas arquitecturas de Rede requerem a determinação do caminho antes de enviar os dados.2

Redeenlacefísica

Redeenlacefísica

Redeenlacefísica

Redeenlacefísica

Redeenlacefísica

Redeenlacefísica

Redeenlacefísica

Redeenlacefísica

aplicaçãotransporte

Redeenlacefísica

aplicaçãotransporte

Redeenlacefísica

Modelo de serviço de Rede

3

• Modelo de serviço para o “canal” que transporta pacotes do remetente ao receptor?– largura de banda

garantida?– preservação de

temporização entre pacotes?

– entrega sem perdas?– entrega ordenada?– realimentar

informação sobre congestionamento ao remetente?

• abstracção mais importante provida pela camada de Rede:– circuito virtual

– datagrama

ab

stra

ção d

o s

erv

iço

Comutação Circuitos

• Rede comutada simples

4

Provedor de telecomunicações

Roteador

Comutação de Circuitos

• Rede telefónica por Comutação de circuitos

5

Comutação de Circuitos

• Establecimiento de circuito

6

Circuitos virtuais

7

“Caminho da-origem-ao-destino se comporta como um circuito telefónico”em termos de desempenhoem acções da Rede e ao longo do caminho da-origem-ao-

destinoEstabelecimento de cada chamada antes do envio

dos dadosCada pacote tem ident. de circuito virtual (CV) (e

não endereços origem/destino)Cada roteador no caminho da-origem-ao-destino

mantém “estado” para cada conexão que o atravessa conexão da camada de transporte só envolve os 2

sistemas terminaisRecursos de enlace, roteador (banda, buffers)

podem ser alocados ao CVpara permitir desempenho como de um circuito

Circuitos virtuais: protocolos de sinalização

8

• Usados para estabelecer, manter, destruir CV• Usados em ATM, frame-relay, X.25• Não usados na Internet de hoje

aplicaçãotransporte

Redeenlacefísica

aplicaçãotransporte

Redeenlacefísica

1. inicia chamada 2. chegada de chamada

3. chamada aceite4. conexão completa5. começa fluxo de dados 6. dados recebidos

Rede de datagramas

• Princípio– Transmite os dados em pequenos pacotes

• Se o quadro de origen for muito grande, é fragmentado

9

Dados do utilizador

Informação de controlo(cabeçalho do pacote)

pacote

Rede de datagramas: o modelo da Internet

• Não requer estabelecimento de chamada na camada de Rede

• Roteadores: não guardam estado sobre conexões fim a fim– não existe o conceito de “conexão” na camada de Rede

• Pacotes são roteados tipicamente usando endereços de destino– 2 pacotes entre o mesmo par origem-destino podem seguir

caminhos diferentes.

10

aplicaçãotransporte

Redeenlacefísica

aplicaçãotransporte

Redeenlacefísica

1. envia dados 2. recebe dados

Exemplos de Paradigmas de ServiçosUso de várias tecnologias

11

CO: Orientada à Conexão

CL: Não orientada à Conexão

Rede de datagramas ou CVs: por quê?

12

Internet• troca de dados entre

computadores– serviço “elástico”, sem

requisitos temporais restritos

• sistemas terminais “inteligentes” (computadores)– podem se adaptar, exercer

controlo, recuperar de erros

– núcleo da Rede simples, complexidade na “borda”

• muitos tipos de enlaces– características diferentes– serviço uniforme difícil

ATM• evoluiu da telefonia• conversação humana:

– temporização estrita, requisitos de confiabilidade

– requer serviço garantido

• sistemas terminais “não inteligentes”– telefones– complexidade dentro da

Rede

Roteamento

13

Abstracção de grafo para algoritmos de roteamento:

• Os vértices do grafo são roteadores

• arestas do grafo são os enlaces físicos– custo do enlace: atraso,

financeiro, ou nível de congestionamento

protocolo de roteamentometa: determinar caminho(sequência de roteadores)

“bom” pela Rede da origem ao destino A

ED

CB

F

2

2

13

1

1

2

53

5

• caminho “bom”:– tipicamente significa

caminho de menor custo

– outras definições são possíveis

Os protocolos de roteamento fazem uso de algoritmos de roteamento para calcular o caminho de custo mínimo da origem até o destino.

Os algoritmos de roteamento usam uma “métrica de custo mínimo” para determinar o melhor caminho.

Métricas comuns utilizadas são a quantidade de saltos (a quantidade de conexões de roteador para roteador visitadas por um pacote a caminho do seu destino), atraso de propagação, largura de banda, tempo, utilização do canal, bem como métricas esotéricas como a taxa de erros.

Dois algoritmos gerais são usados para calcular informações métricas:

• vector de distância

• estado de enlace.

Algoritmos de vector de distância

Um algoritmo de definição de rotas por vector de distâncias determina a distância entre os nós de origem e de destino calculando o número de saltos de roteador necessários para um pacote chegar da rede de origem à rede de destino.

Um exemplo de algoritmo de vector de distâncias é o algoritmo de Bellman-Ford.

Dois protocolos de definição de rotas baseados em vector de distancias são o RIPv1 e RIPv2, que os roteadores trocam tabelas com seus vizinhos a cada 30 segundos. Tanto o RIPv1 assim como RIPv2 dão suporte a, no máximo, 15 saltos.

Algoritmo de Bellman-Ford.

É baseado em vector de distancias e age no número de saltos entre um nó de origem e um destino.

Para ilustrar esse algoritmo, vamos considerar o seguinte gráfico não-direccionado que ilustra uma rede.

Os vértices A,B,C,D,E e F podem ser entendidos como roteadores e os enlaces conectando esses vértices são canais de comunicação.

Os rótulos dos enlaces representam um custo arbitrário. O nosso objectivo é encontrar o caminho mínimo de A para D usando o número de saltos como base para a nossa selecção de caminho.

A

E F

D

CB

1

1

1

2

2

3

4

Examinamos os custos de todos os caminhos de A para cada um dos nós com base no número de saltos.

A

E

B1

4

Um salto

Caminho AB= 1 Caminho AE= 4

Escolhe caminho AB

A

F

B

1

Dois saltos

Caminho ABC= 3 Caminho ABF= 2

Escolhe caminho ABF

A

F

B1

3

Três saltos

Caminho ABCD= 6 Caminho ABFD= 4Caminho ABFE= 3

Escolhe caminho ABFDEscolhe caminho ABFE

C2

1

C

D

E

1

1

2

2

No último passo (três saltos), dois caminhos são seleccionados. O primeiro caminho ABFD, representa o caminho de custo mínimo de A a D com base na métrica de saltos.

O segundo caminho, ABFE, é seleccionado, pois representa o caminho de custo mínimo de A a E.

O resultado final do algoritmo de Bellman-Ford é uma árvore representando o custo mínimo pago pelo nó de origem para todos os outros nós da rede.

A

F

B1 C

D

E

1

1

2

2

Do nó A:- o caminho de custo minimo para B é AB = 1- o caminho de custo minimo para C é ABC = 3- o caminho de custo minimo para D é ABFD = 4- o caminho de custo minimo para E é ABFE = 3- o caminho de custo minimo para F é ABF = 2

A árvore de custo mínimo do nó A é:

Algoritmos de Estado de Enlace

Num Algoritmo de Estado de Enlace, o roteador de uma rede não envia a todos os outros roteadores a sua tabela de rotas. Em vez disso, os roteadores trocam informações sobre as ligações estabelecidas com outros roteadores.

Essa informação é enviada através de um anúncio de estado de ligações (LSA – link-state advertisement), que contem os nomes e as diversas métricas de custo dos vizinhos de um roteador.

Um exemplo de algoritmo de Algoritmo de Estado de Ligações é o algoritmo de caminho mínimo de Dijkstra, que age sobre o comprimento do caminho para determinar a rota mais curta.

Alguns protocolos de definição de rotas com base no estado de enlace são OSPF, IS-IS da OSI e o Protocolo de Serviços de Ligação Netware (NLSP – Netware’s Link Services Protocol).

Considere o seguinte gráfico não-direccionado que ilustra uma rede.

Os vértices A,B,C,D,E e F podem ser entendidos como roteadores e os enlaces conectando esses vértices são canais de comunicação.

Os rótulos dos enlaces representam uma métrica arbitrária de custo. O nosso objectivo é encontrar o caminho mínimo de A para D com base na distância.

A

E F

D

CB

4

4

4

5

5

6

7

3

Para implementarmos esse algoritmo, vamos manter um registo corrente dos sucessivos nós mais próximos da origem. Vamos representar como k o n-ésimo nó mais próximo. Assim, o nó A corresponde a k = 0. Ou seja, o nó mais próximo de A com distância zero é ele mesmo. Isso é passo de inicialização do algoritmo. Começamos agora a busca dos nós mais próximos sucessivos de A.

Primeiro nó mais próximo (k = 1)

O primeiro nó mais próximo de A é B ou E, pois ambos se conectam directamente a A. Como o caminho AB tem custo menor, ele é o seleccionado. Assim, B é o mais próximo de A.

K Nó Caminho

0 A -

1 B AB

Segundo nó mais próximo (k = 2)

O segundo nó mais próximo de A pode ser (a) uma ligação directa partindo de A ou (b) através de um caminho que inclui o primeiro nó mais próximo.

Os caminhos possíveis e os seus custos associados são: ABC = 9, ABF = 8, ABE = 7 ou AE = 7. Há dois caminhos mais curtos: ABE e AE. Assim, E é o segundo nó mais próximo de A.

K Nó Caminho

0 A -

1 B AB

2 E ABE

AE

Terceiro nó mais próximo (k = 3)

O terceiro nó mais próximo de A deve vir de uma ligação que inclui os nós B ou E. (Não há outras ligações directas com A).

Os caminhos possíveis e os seus custos associados são: ABC = 9, ABF = 8, ABEF = 11 ou AEF = 11.

O caminho mínimo é ABF. Assim, F é o terceiro nó mais próximo de A.

K Nó Caminho

0 A -

1 B AB

2 E ABE

AE

3 F AEF

Quarto nó mais próximo (k = 4)

O quarto nó mais próximo de A deve vir de um caminho que inclui os nós B, E ou F.

Os caminhos possíveis e os seus custos associados são: ABC = 9, ABFD = 13.

O caminho mínimo é ABC. Assim, C é o quarto nó mais próximo de A.

K Nó Caminho

0 A -

1 B AB

2 E ABE

AE3 F AEF

4 C ABC

Quinto nó mais próximo (k =5)

O quinto nó mais próximo de A deve vir de um caminho que inclui os nós B, E, F ou C.

Os caminhos possíveis e os seus custos associados são: ABCD = 15, ABFD = 13, ABEFD = 16 e AEFD = 16.

O caminho mínimo é ABFD. Assim, D é o quinto nó mais próximo de A.

Como D é o nó de destino, o caminho mínimo de A a D é ABFD.

K Nó Caminho

0 A -

1 B AB

2 E ABE

AE3 F AEF

4 C ABC

5 D ABFD

34

Roteamento: Propriedades Desejáveis

SimplicidadeRobustez (capacidade de aceitar alterações na topologia

sem ter que interromper todas as tarefas )

Estabilidade (convergência)Justiça ou EquidadeOptimização

Roteamento: Propriedades Desejáveis(II)

35

Conflito entre equidade e optimização

Classificação de Algoritmos de Roteamento

36

Informação global ou descentralizada?Global:Todos roteadores têm informação completa de

topologia, custos dos enlacesAlgoritmos: “estado de enlaces”.

Descentralizada: roteador conhece os vizinhos directos e custos

até elesprocesso iteractivo de cálculo, troca de

informação com vizinhosAlgoritmos: “vector de distâncias”.

Classificação de Algoritmos de Roteamento(II)

37

Estático ou dinâmico?

Estático: rotas mudam lentamente com o tempo

Dinâmico: rotas mudam mais rapidamenteactualização periódica em resposta a

mudanças nos custos dos enlaces

Algoritmos de Roteamento

38

Estáticos:Rota mais curtaInundação (Flooding)Roteamento baseado no fluxo

Dinâmicos:Baseado no vector de distânciasBaseado no estado do canal

Roteamento Hierárquico