introduccion a la capa de red

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1 11-11-2013 Comunicación de Datos y Redes Catedra # 12: Capa de red Profesor Patricio Galdames Departamento de Sistemas de Información, Universidad del Bío-Bío, Concepción [email protected] Horario 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 Reenvío versus ruteo Como un router funciona ruteo (selección de un camino) broadcast, multicast instanciación, implementación en la Internet

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Clase que permite conocer como se componen las capas de redes en el área informática

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  • 1

    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

  • 2

    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

    11-11-2013

  • 3

    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

    11-11-2013

    Catedra #12

    123

    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

    11-11-2013

  • 4

    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

    11-11-2013 Catedra #12

  • 5

    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

  • 6

    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

    11-11-2013 Catedra #12

  • 7

    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

    11-11-2013 Catedra #12

    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

  • 8

    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

    11-11-2013

    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

    11-11-2013

  • 9

    Catedra #12

    123

    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

    3221

    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)

    11-11-2013

    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

    11-11-2013

  • 10

    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

  • 11

    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)

    11-11-2013

    Catedra #12

  • 12

    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

  • 13

    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

    11-11-2013

    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

  • 14

    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

  • 15

    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

  • 16

    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

  • 17

    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