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UEM/DIN/Elvio/1023-1224 1

Redes de Computadores

Camada de Rede

Aula 6/2006


Camada de Rede�É a camada mais baixa que trata da comunicação fim-a-fim�Função de encaminhar os pacotes da fonte até o destino final�Deve ter conhecimento sobre a topologia da sub-rede e escolher os caminhos apropriados para a comunicação�Deve escolher rotas de maneira a dividir o tráfego entre as rotas�Esta camada deve fornecer funcionalidade para resolver situações em que os terminais estão em redes distintas


Ambiente para a Camada de Redes

�Principal função: rotear pacotes da origem ao destino�Mecanismo de comutação store-and-forward


Serviços OferecidosServiço Sem ConexõesSub-redes de Datagramas

�Mensagem quebrada em Datagramas�Cada roteador tem uma tabela que informa para onde os datagramas devem ser enviados�Datagramas podem seguir rotas diferentes


Serviços OferecidosServiço Orientado a ConexõesSub-rede de Circuitos Virtuais


ComparaçãoDatagrama – Circuito Virtual


Algoritmos de Roteamento� Roteamento por pacote (datagrama) ou roteamento por sessão (circuito virtual)

� Características desejáveis:� Correção, Simplicidade, Robustez, Estabilidade, Eqüidade, Otimização

� Algoritmos Adaptativos e Não-Adaptativos (ou estáticos)� Baseiam ou não as decisões de roteamento nas condições dinâmicas (níveis de tráfego, por exemplo) da rede


Princípio da Otimização

(a) Uma sub-rede (b) Árvore de escoamento para o nó B� Se a rota ótima [I-K] passa por J, então esta rota é composta pelas rotas ótimas [I-J] e [J-K]


Algoritmo do Caminho Mais Curto


Algoritmo de Inundação� Pacote de entrada é propagado para todas as

saídas� Pacotes duplicados devem ser removidos� Pacotes têm vida (número de retransmissões) limitado� Pacotes têm identificador que evita retransmissão

� Inundação Seletiva: propagação apenas para as saídas relevantes


Algoritmo com Vetor de Distância

(a) Uma subrede(b) Tabelas de roteamentoTambém conhecido como Bellman-Ford e Ford-Fulkerson


Algoritmo com Vetor de Distância

� Atualização desbalanceada:


Roteamento por Estado do Enlace

� Cada roteador dever fazer:� Descobrir seus vizinhos� Utilizando mensagens de HELLO

� Medir o retardo (ou custo) até cada um deles� Utilizando mensagens de ECHO

� Difundir esta informação para todos os outros roteadores� Utilizando o algoritmo de inundação

� Calcular o caminho mais curto até cada um dos roteadores


Roteamento por Estado de Enlace

� Descobrindo os seus vizinhos



� Construindo pacotes de estado de enlace



� Difusão da informação:� Número de Seqüência� Incluído em cada pacote enviado� Incrementado a cada novo pacote gerado� Pacotes repetidos ou com número de seqüência mais baixo que o armazenado são descartados



� Difusão da informação (cont.):� Time to Live (Prazo de Validade)� Incluído em cada pacote enviado� Decrementado (por exemplo) a cada segundo� As informações disponíveis sobre cada roteador têm, portanto, também um prazo de validade (igual ao último pacote dele recebido)



� Tabela de gerência de pacotes de estado de enlace recebidos pelo roteador B



� Cálculo de novas rotas� Com a informação acumulada cria-se um grafo completo da sub-rede� Utilizando, por exemplo, um algoritmo de determinação de caminho mais curto, calcula-se as melhores rotas para todos os roteadores� Para uma sub-rede com n roteadores, cada um com k vizinhos, a memória necessária é k × n


Roteamento Hierárquico� Exemplo de 2 níveis e 5 regiões


Roteamento por Difusão ou Multidifusão

� Utilizado para propagação de um mesmo conteúdo a vários (muitos) terminais (relatórios sobre o tempo, mercado de ações, rádio em tempo real, etc.)� Difusão (broadcast): a todos os terminais� Multidifusão (multicast): a todos os terminais

pertencentes a um determinado grupo


Encaminhamento PeloCaminho Inverso(Difusão)

(a) sub-rede (b) árvore de escoamento (c) árvore de encaminhamento� Pacote é retransmitido somente se chegou pelo caminho certo (isto é, conforme especificado pela árvore de escoamento)


Árvores de Multidifusão(Multidifusão)

(a) sub-rede(b)(c)(d) árvores de

escoamento dependentes dos grupos de difusão

� Pacote é retransmitido somente se roteador pertence à árvore de escoamento


Roteamento Para Hosts Móveis� Cada unidade de gerência (célula) mantém:� Lista de terminais estrangeiros utilizando a célula (Registro dos Visitantes)� Lista de terminais locais utilizando outras células (Registro dos Viajantes)

� O Host estrangeiro pede registro, informa endereço e é designado um endereço local em caso de sucesso

� Sistema local interage com sistema estrangeiro para confirmação de registro


Roteamento Para Hosts Móveis


Roteamento Para Redes Ad-HocAODV (Ad Hoc on Demand Distance Vector)

� Baseado no algoritmo de Roteamento com Vetor de Distância

� Exemplo: “A” deseja enviar pacote a “I”


AODVDescoberta da Rota

� “A” envia por difusão um pacote de ROUTE REQUEST

� Endereços de Origem e Destino (usualmente endereço IP)� Identificador da Solicitação (incrementado a cada nova solicitação)� Seqüência de Origem: contador de seqüência da origem� Seqüência de Destino: contador de seqüência recebido do destino� Contagem do Número de Saltos (retransmissões)



� Os valores Endereço de Origem e Identificador da Solicitação identificam de maneira única a solicitação

� Um nó intermediário recebe um ROUTE REQUEST� Descarta solicitação se ela é repetida� Se o nó conhece rota para destino e Seqüência de Destino

recebido é menor ou igual ao valor armazenado, envia um ROUTE REPLY de volta fornecendo rota

� Caso contrário, o nó incrementa o Número de Saltos e retransmite o ROUTE REQUEST



� O nó de destino (ex., “I”), ao receber o ROUTE REQUEST� Constrói e envia de volta (em unicast) um ROUTE REPLY

� Endereços de Origem e Destino e Número de Saltos são copiados da solicitação

� Seqüência de Destino é preenchido pelo nó de destino� Duração informa tempo de vida da rota



� Pacote ROUTE REPLY é recebido por cada um dos nós intermediários� Tabela de roteamento é atualizada se� Não é conhecida rota para destino� Seqüência de Destino armazenada é menor que valor recebido� Seqüência de Destino armazenada é igual ao valor recebido, porém rota é mais curta


AODVManutenção da Rota

� Nó envia HELLO periódico� Nó mantém tabela organizada por destino, com a relação dos últimos nós de origem que utilizaram a rota (vizinhos ativos)

� Em caso de falha em algum nó (ausência de resposta ao HELLO), nó envia mensagem aos vizinhos ativos informando que rota não está mais disponível

� Ao contrário do Roteamento com Vetor de Distância, não existe difusão periódica da tabela de roteamento


AODVManutenção da Rota

(a) Tabela de roteamento do nó “D” (b) Grafo sem nó “G”


Controle de Congestionamento� Princípios gerais� Políticas de prevenção� Controle de congestionamento em Circuitos

Virtuais� Controle de congestionamento em Subredes

de Datagramas� Escoamento de carga� Controle do jitter


Congestionamento� Mais pacotes do que a subrede pode manusear� Crescimento repentino do tráfego� Concentração do tráfego em determinadas rotas� Demora dos roteadores em processar tráfego� Enlaces não comportando demanda� Controle de fluxo: enlace ponto-a-ponto� Controle de congestionamento: envolve toda a rede


Congestionamento


Princípios Gerais� Monitorar sistema para detectar quando e onde ocorre congestionamento� Porcentagem de pacotes descartados por falta de espaço no buffer

� Média do comprimento das filas� Número de pacotes descartados por excesso de atraso

� Atraso médio dos pacotes� Desvio padrão do atraso médio dos pacotes


Princípios Gerais� Enviar informação onde providências possam ser tomadas� Informar roteador fonte� Informar outros roteadores (ex., através de campo no cabeçalho do pacote) da situação de congestionamento

� Ajustar operação do sistema para corrigir problema


Políticas de Prevenção


Políticas de Prevenção� Enlace de Dados e Transporte� Retransmissão e Recebimento de quadros fora de ordem: mecanismos “go back n” ou retransmissão seletiva� Confirmação de recebimento: envio de ACKs aumenta tráfego� Controle de fluxo: diminui taxa de dados e minimiza congestionamento


Políticas de Prevenção� Rede� Circuito Virtual vs. Datagrama: mecanismos de controle de congestionamento em geral atuam melhor em circuito virtual� Uso de filas de entrada e saída, política de descarte de pacotes e tempo de vida dos pacotes: mantém pacotes em trânsito e podem prejudicar congestionamento� Algoritmo de roteamento: permite redirecionar tráfego


Controle de Congestionamento� Circuito Virtual� Controle de admissão

� Datagrama� Pacote regulador


Escoamento de Carga� Implica em descartar o tráfego que está além

da capacidade do roteador� RED (Random Early Detection)� Roteadores monitoram comprimento médio da fila e passam a descartar pacotes quando este valor ultrapassa determinado limiar� Aumento na perda de pacotes provoca diminuição do fluxo na fonte


Controle de Jitter� Desvio padrão no tempo de chegada de pacotes


Qualidade de ServiçoQuality of Service (QoS)Requisitos

� Confiabilidade (reliability), atraso (delay), jitter e largura de banda (bandwidth)


Qualidade de ServiçoTécnicas para Garantir QoS

� Super-dimensionamento: dimensionar roteadores e enlaces para o pior caso

� Armazenamento em buffers: para fluxos uni-direcionais



� Moldagem de tráfego: procura moldar o tráfego de maneira a deixá-lo regular, com velocidade e demandas uniformes ao longo do tempo

� Exemplos� Algoritmo do Balde Furado (Leaky Bucket)� Algoritmo do Balde de Símbolos (Token Bucket)


Leaky Bucket� Pacotes recebidos são colocados em um “balde” furado (com um furo no fundo)

� O balde pode conter até um máximo de B bytes� Pacotes que chegam quando o balde está cheio são descartados

� Pacotes são “vazados” do balde pelo furo a uma taxa constante, alisando rajadas de tráfego (moldando o tráfego)

� A quantidade de memória disponível no sistema limita o tamanho B do balde


Leaky Bucket


Token Bucket� Similar ao Leaky Bucket mas permite que rajadas de tráfego continuem a transmitir enquanto houver tokens disponíveis

� Um token é adicionado ao balde cada 1/r segundos� O balde pode conter no máximo T tokens� Tokens que chegam ao balde quando ele está cheio são descartados

� Quando um pacote é recebido, ele é encaminhado se existir pelo menos 1 token no balde


Token Bucket� Cada pacote encaminhado (transmitido) consome 1

token do balde� Se N pacotes são recebidos e N ou mais tokens existirem no balde, todos os N pacotes serão transmitidos em uma rajada� Se M < N tokens existirem no balde, então serão transmitidos M pacotes e os restantes N – M serão transmitidos assim que novos tokens forem adicionados ao balde


Token Bucket


TokenBucket

� (a) Entrada� (b) Saída de um leaky

bucket� Saída de um token

bucket com capacidades de� (c) 250 KB� (d) 500 KB� (e) 750 KB

� (f) Saída de um token bucket de 500KB alimentando um leaky bucket a 10 MB/s



� Reserva de Recursos� Largura de Banda� Espaço de Buffer� Ciclos de CPU



� Reserva de Recursos (Exemplo)� Chegada: λ pacotes/s (Poisson)� Serviço: µ pacotes/s (Exponencial negativa)� Atraso médio:

� Supondo µ = 1 p/s, λ = 0,99 p/s, T = 100� Supondo µ = 1 p/s, λ = 0,9 p/s, T = 10� Supondo µ = 1 p/s, λ = 0,5 p/s, T = 2

T= 1µ×1

1�λ/ µ



� Controle de Admissão� Exemplo de especificação de fluxo



� Roteamento Proporcional� Programação de Pacotes


Resource Reservation Protocol(RSVP)

� Descrito na RFC 2205� Protocolo para reserva de recursos em uma

rede para serviços integrados (voz, dado, etc.), em modo simplex (um único sentido)� Iniciado pelo receptor, útil para conexões

unicast e multicast


Resource Reservation Protocol(RSVP)

(a) “3” requisita canal para “1” (b) “3” requisita canal para “2” (c) “5” requisita canal para “1”


Multiprotocol Label Switching(MPLS)

� Tenta emular características de Circuito Virtual sobre uma rede de datagramas

� Opera entre as camadas 3 (Rede) e 2 (Enlace de Dados), sendo algumas vezes denominada camada 2.5

� Acrescenta uma pilha (hierárquica) de rótulos (labels) ao pacote de camada 3� Comutação passa a ser feita pelos rótulos e não pelo endereço de camada 3� Rótulos podem ser removidos e acrescentados ao longo da rota


Multiprotocol Label Switching(MPLS)

Label = rótulo, QoS = classe de serviço, S = fim da pilha de rótulos, TTL = time to live

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