Routage - Cours 4 - LIS lab...r eseau physique) plus proche de la destination => \r ecursion" Rappel...

RoutageCours 4

E. Godard

Aix-Marseille Université

M1 Informatique Réseaux 2019/20

Routage

Routage

Principes du Routage

Exemples de Protocoles de Routage : IPv4

Routage en Commutation de Circuits

Autres Protocoles de Routage

Routage : Conclusion

E. Godard Routage 3 / 67

Routage

”Vous êtes Ici”

TCP/IPOSI

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Data link

Physical

7

6

5

4

3

2

1

Application

Transport

Internet

Host-to-network

Not presentin the model


Routage

Définition du Routage

Définition : algorithme distribué ayant pour objectifd’acheminer des données depuis une source jusqu’à unedestination.

Difficultés :

le réseau évolue, son graphe est dynamique

impossible de maintenir localement une connaissancecomplète et en temps réel de la topologie globale.

=> deux problématiques

1 acheminement à l’aide d’une information locale, présenteimmédiatement sur le routeur.

2 maintenance (en parallèle) de ces informations locales paréchange global d’informations


Routage

Définition du Routage

Définition : algorithme distribué ayant pour objectifd’acheminer des données depuis une source jusqu’à unedestination.Difficultés :

le réseau évolue, son graphe est dynamique

impossible de maintenir localement une connaissancecomplète et en temps réel de la topologie globale.

=> deux problématiques

1 acheminement à l’aide d’une information locale, présenteimmédiatement sur le routeur.

2 maintenance (en parallèle) de ces informations locales paréchange global d’informations


Routage

Questions Algorithmiques

Acheminement acheminement de proche en procheprend en compte l’information sur ladestination ou l’origine (paquets vs circuits)rapidité de l’algorithme de traitement =>simplicité de la structure de données =>tables de routagenextHop[dest] vs nextHop(dest)

Maintenance algorithmes distribués réagissant auxmodifications topologiquesla propagation des mises-à-jour se faitnécessairement avec du retardstabilité vs réactivité


Routage

Commutation de Paquets

A E F Process P2

LAN

Router

1

Carrier's equipment

Process P1

B

H1 H2

D

C

Packet

3

4

2

A –

B B

initially

C C

D B

E C

F C

Dest.

A –

B B

later

A's table

C C

D B

E B

F B

A A

B A

C's table

C –

D D

E E

F E

A C

B D

E's table

C C

D D

E –

F F

Line

Ex : TCP/IPE. Godard Routage 7 / 67

Routage

Commutation de Circuits

E FProcess P2

LAN

Router

1

Carrier's equipment

Process P1

ProcessP3

B

H1

H3

H2

D

C

3

42

H1 1

H3 1

C 1

C 2

A's table

A 1

A 2

E 1

E 2

C's table

C 1

C 2

F 1

F 2

E's table

A

In Out

Ex : ATM,MPLS


Routage

Le Graphe Internet


Routage

Topologie et Routage IP

Leased linesto Asia A U.S. backbone

Leasedtransatlantic

line

Regional network

A

IP EthernetLAN

C

D

SNAnetwork

Tunnel

IP token ring LAN

A European backbone

IP routerNationalnetwork

HostB

IP EthernetLAN

1 2



Routage








Graphes

Un graphe (symétrique) est constitué

d’un ensemble de sommets V , Ex : V = {a, b, c , d}d’un ensemble d’arêtes E ⊂ P2(V ), Ex :E = {{a, b}, {b, c}, {c , d}, {d , a}, {a, c}}

a

d

b

c



Graphes et Routage IP

Le graphe de communication est le graphe complet : toutnœud peut émettre vers tout autre nœud

Le graphe du réseau physique n’est pas le graphe complet

Le routage a pour rôle d’abstraire le réseau physique :architecture en couches !



Tables et Routage

Une table locale Tx est définie par Tx : E −→ P(V ) .Pour qu’un ensemble de tables locale Tx définissent bien unschéma de routage, on doit avoir

(relais) Il y a toujours une destination locale dans la table(sauf pour x).pour tout sommet x ∈ V ,⋃

(x ,y)∈E Tx(y) ∪ {x} = V ,(routage) pour tout couple de sommets, il existe une

route qui correspond aux tables locales.Pour tout sommet x , y , avec x 6= y , il existe unesuite de sommets u0, . . . , ut telle que

u0 = x et ut = y ,pour tout 0 < i ≤ t, y ∈ Tui−1(ui).

Remarque : pas nécessairement via lechemin le plus court...



Tables et Routage

Une table locale Tx est définie par Tx : E −→ P(V ) .Pour qu’un ensemble de tables locale Tx définissent bien unschéma de routage, on doit avoir

(relais) Il y a toujours une destination locale dans la table(sauf pour x).pour tout sommet x ∈ V ,⋃

(x ,y)∈E Tx(y) ∪ {x} = V ,(routage) pour tout couple de sommets, il existe une

route qui correspond aux tables locales.Pour tout sommet x , y , avec x 6= y , il existe unesuite de sommets u0, . . . , ut telle que

u0 = x et ut = y ,pour tout 0 < i ≤ t, y ∈ Tui−1(ui).Remarque : pas nécessairement via lechemin le plus court...



Tables de Routage pour la Commutation de

Paquets

Principe général : faire correspondre adresse et segment local

interface physique ↔ segment local

Algorithme simplifié

le destinataire appartient au même réseau physique=> envoi direct (avec ARP)

sinon transmettre le paquet à un hôte (dans le mêmeréseau physique) plus proche de la destination =>

“récursion”Rappel : Comment déterminer si une adresse IPappartient au même réseau physique ?=> masque de sous-réseau




Paquets






“récursion”

Rappel : Comment déterminer si une adresse IPappartient au même réseau physique ?=> masque de sous-réseau




Paquets






“récursion”Rappel : Comment déterminer si une adresse IPappartient au même réseau physique ?

=> masque de sous-réseau




Paquets






“récursion”Rappel : Comment déterminer si une adresse IPappartient au même réseau physique ?=> masque de sous-réseau



Optimalité du Routage

Rôles différents :

routeur

hôte

Compacité des tables =>

adresses regroupées en sous-réseaux => plage d’adresses

route par défaut.

Indication de route efficace :

I plus court cheminI limite la congestion

Temps de stabilisation après changement topologie.



Optimalité du Routage

Rôles différents :

routeur

hôteCompacité des tables =>

adresses regroupées en sous-réseaux => plage d’adresses

route par défaut.

Indication de route efficace :

I plus court cheminI limite la congestion

Temps de stabilisation après changement topologie.



Tables vs Plan d’adressage

Une table de routage est toujours (schématiquement)

Destination sortieplage1 sortie1plage2 sortie2

... ...default passerelle par défaut

Une plage d’adresse est un intervalle d’adresses, organisé avecCIDR :

préfixe /pp

machine : sur 32− pp bitsL’espace des adresses peut être vu comme étant décomposé demanière arborescente.Le plan d’adressage doit viser à limiter la taille des tables.



Exemples : Tables de Routage Réelles

ras> i p r o u t e s t a t u sDest FF Len D e v i c e Gateway M e t r i c1 4 . 4 . 2 3 2 . 1 00 32 mpoa00 1 4 . 4 . 2 3 2 . 1 11 9 2 . 1 6 8 . 1 . 0 00 24 e n e t 0 1 9 2 . 1 6 8 . 1 . 1 1d e f a u l t 00 0 mpoa00 ChangeMe 1

$ / s b i n / r o u t eTable de r o u t a g e IP du noyauD e s t i n a t i o n P a s s e r e l l e Genmask I n d i c M e t r i cr o u t e 1 . f a i ∗ 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 UH 01 2 7 . 0 . 0 . 0 ∗ 2 5 5 . 0 . 0 . 0 U 0d e f a u l t r o u t e 1 . f a i 0 . 0 . 0 . 0 UG 0

$ n e t s t a t −nrTable de r o u t a g e IP du noyauD e s t i n a t i o n P a s s e r e l l e Genmask I n d i c MSS I f a c e1 9 2 . 1 6 8 . 1 . 0 0 . 0 . 0 . 0 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 . 0 U 0 eth00 . 0 . 0 . 0 1 9 2 . 1 6 8 . 1 . 1 0 . 0 . 0 . 0 UG 0 eth0



Interprétation

Intervalle de destination routeur le plus procheAdresse Masque Passerelle

IP locale 1 masque local 1 interface locale 1IP locale 2 masque local 2 interface locale 2

... ... ...

IP 1 masque 1 IP voisin 1

IP 2 masque 2 IP voisin 2

... ... ...

toutes les autres adresses IP passerelle par défaut



Commutations de Paquets : Algorithmes

Algorithmes de Routage :

Acheminement d’un paquet

Maintenance de la structure de données distribuée

Contraintes

Décentralisation et expansion Internet : => algorithmesefficaces

Multiples constructeurs : => standardisation et conseilsd’implémentations (RFC)

Deux techniques principales (basé sur le coût associé à unlien) : Vecteur de distance vs Etat des liens



Commutations de Paquets : Algorithmes

Algorithmes de Routage :

Acheminement d’un paquet

Maintenance de la structure de données distribuéeContraintes

Décentralisation et expansion Internet : => algorithmesefficaces

Multiples constructeurs : => standardisation et conseilsd’implémentations (RFC)

Deux techniques principales (basé sur le coût associé à unlien) : Vecteur de distance vs Etat des liens



Vecteurs de Distance

Un nœud N connâıt le coût pour joindre chacun de sesvoisins

Il transmet cette information à tous ses voisins

Chaque voisin additionne cette information au coût pourjoindre N et retient le total minimum pour déterminer lemeilleur intermédiaire pour chaque destination.

On répète jusqu’à ce que les tables convergent (ie nesoient plus modifiées)



État des Liens

Pour chaque interface

adresse IP

masque de sous-réseau

type de réseaux auxquels celle-ci est connecté

adresses des routeurs connectés

débit

...



Algorithme

Le but est de maintenir le plus court chemin pour chaquedestination connue :

A chaque changement, un routeur “publie” sa table d’étatde tous ses liens

La diffusion est faite par inondation

A partir des données obtenues, l’arbre des plus “courts”chemins est calculé localement par algorithme de Dijkstra(ou variante)

La table de routage indique pour chaque adresse le routeursuivant (correspondant au plus court chemin)



Routage








Communication Hors-Bande : ICMP

Internet Control Message Protocol permet d’envoyer desinformations “hors-bande” à l’expéditeur d’un datagramme.

Destination unreachable : problème de routage

Time exceed : le TTL atteint 0

Parameter problem : entête incorrect

Redirect : rerouter => apprendre la géographie à unrouteur

Echo : demander à une machine si elle est en ligne =>ping

Echo reply : oui je suis en ligne

Timestamp request : Echo avec horodatage

Timestamp reply : Echo reply avec horodatage

=> Commandes ping,traceroute, ainsi que ping6 ettraceroute6...



Mise à Jour des Informations de Routage I

Statiquement :Gestion “manuelle” des routes, en salle TP(debian/ubuntu) :

I ip addr ifconfigI ip route add, route addI ip route : table de routage

ip route add 172.16.2.160/28 via 172.16.2.32

ajout de la route vers la plage 172.16.2.160/28, lapasserelle est 172.16.2.32.ip route del 172.16.2.160/28 retrait de route

I pour activer le routage :

$ sysctl -w net.ipv4.ip_forward =1

pour que cela soit permanent, dans /etc/sysctl.conf,ajouternet/ipv4/ip_forward=1



Mise à Jour des Informations de Routage II


Leasedtransatlantic

line

Regional network

A

IP EthernetLAN

C

D

SNAnetwork

Tunnel

IP token ring LAN

A European backbone


HostB

IP EthernetLAN

1 2

Dynamiquement :

I impossibilité d’échanger toutes les routesI protocoles pour le routage hiérarchique

I parties de réseau organisées de manière autonome

en intérieur : protocoles IGP Ex : RIP,OSPF,IGRPen extérieur : protocoles EGP Ex : EGP,BGP





Leasedtransatlantic

line

Regional network

A

IP EthernetLAN

C

D

SNAnetwork

Tunnel

IP token ring LAN

A European backbone


HostB

IP EthernetLAN

1 2

Dynamiquement :

I impossibilité d’échanger toutes les routesI protocoles pour le routage hiérarchiqueI parties de réseau organisées de manière autonome






Leasedtransatlantic

line

Regional network

A

IP EthernetLAN

C

D

SNAnetwork

Tunnel

IP token ring LAN

A European backbone


HostB

IP EthernetLAN

1 2

Dynamiquement :


en intérieur : protocoles IGP Ex : RIP,OSPF,IGRP

en extérieur : protocoles EGP Ex : EGP,BGP





Leasedtransatlantic

line

Regional network

A

IP EthernetLAN

C

D

SNAnetwork

Tunnel

IP token ring LAN

A European backbone


HostB

IP EthernetLAN

1 2

Dynamiquement :





Architecture Globale

Les réseaux sont organisées en systèmes autonomes (AS) gérépar une même institution. La politique de routage est ycohérente.

AS 1 AS 2

AS 3 AS 4

Internal router

Backbone

Backbonerouter

Area

Areaborderrouter

AS boundary router

BGP protocol connects the ASes

Les routeurs d’un même système autonome partagent la mêmetable BGP.Une AS possède un ASN (sur 32 bits) délivré par un RIR(comme les adresses IP).Une AS possède une politique de routage cohérente.



Préfixe BGP : Le nombre de préfixes a augmenté



Routes BGP

Une route BGP est une séquence de système autonome(désignés par leur ASN) permettant de rejoindre un ensembled’adresses donné.Ceci permet de savoir quel est le routeur suivant mais égalementl’ensemble des réseaux traversés pour parvenir à destination.



BGP et Politiques de Routage

Le Border Gateway Protocol permet d’annoncer et de choisirdes routes de manière sélective :

sécurité (rappel : l’information TCP/IP circule en clair)

géopolitique

économique (facturation, échange de trafic)



Organisation Tarifaires

Lorsque deux entités économiques s’échangent du trafic

si facturation : transit

si (presque) pas facturation : appairement (peering) ouéchange de trafic

Tier 1 Peering uniquement

Tier 2 Mixte (transit et peering)

Tier 3 Transit (=> facturation) => votre FAI



Le coeur d’Internet

Les AS dont les routeurs ont l’ensemble des routes d’Internet



Une Evolution Très Rapide : de 2000 ...



Une Evolution Très Rapide : ... à 2011



OSPF vs RIP

RIP (Routing Information Protocol)

I vecteur de distanceI diamètre limité (15)I pas de routage sans classeI diffusion régulière de toute la table de routageI convergence en minutesI métrique rudimentaire : nombre de hopI réseaux non structurés

RIP2

I améliorationsI toujours diamètre de 15 et lente convergence



OSPF vs RIP

OSPF ( Open Shortest Path First )

I état des liensI diamètre non bornéI gestion fine des adressesI propagation des modifications par diffusion IPI meilleure convergenceI métrique permettant l’équilibrage de chargeI agrégation des réseaux en airesI authentification des routeursI gestion des routes externes (injectées par BGP)



Historique OSPF

début des discussions : 1988

début de la formalisation : 1991

RFC 2328 : 1998

Synopsis :

protocole non propriétaire pour remplacer RIP

mais plus complexe à configurer/maintenir



Plus Courts Chemins et Métrique OSPF

La métrique reflète le coût de traversée d’un lien, pour que leplus court chemin soit vraiment le plus court :δ(interface) = 10

8

debitbits/s

La métrique peut aussi être définie manuellement.



Exemple



Problème du Compte-à-l’infini

En utilisant uniquement les vecteurs de distance, il n’est paspossible de savoir exactement par où passe la route la pluscourte.

Que se passe-t-il si M1 est hors-ligne ?



Avancées Récentes

Des améliorations récentes de la technique de vecteur dedistances permettent d’éviter le problème du compte à l’infini.

EIGRP ( Enhanced Interior Gateway Routing Protocol )I protocole de routage développé par CiscoI propriétaireI basé sur les vecteurs de distance,I condition d’évitement des boucles

DSDV,AODV

Babel



Tolérances aux défaillances

Les algorithmes de routage sont très tolérants aux défaillances

(suivre @alertepelleteuz)E. Godard Routage 43 / 67


Auto-Stabilisation

Les algorithmes de routage ont la propriété suivante

Définition (Dijkstra 1974)

Un algorithme distribué est dit auto-stabilisant si il converge,lorsque les défaillances cessent, vers un état final correctquelque soit la configuration de départ.

sur-approximation des incohérences induites par leschangements dynamiques de topologie et les défaillancestemporaires

pas de terminaison expicite



Routage








Rappel du Principe

E FProcess P2

LAN

Router

1

Carrier's equipment

Process P1

ProcessP3

B

H1

H3

H2

D

C

3

42

H1 1

H3 1

C 1

C 2

A's table

A 1

A 2

E 1

E 2

C's table

C 1

C 2

F 1

F 2

E's table

A

In Out

Ex : ATM,MPLSATM= Asynchronous Transfer ModeMPLS= Multi-Protocol Label Switching



Le Protocole ATM

Historique :

créé au CNET (Lannion, France) à partir de 1982

adopté par l’ITU (International Telecommunication Union)

répond initialement à des besoins spécifiques desopérateurs télécoms

standards internationaux au sein de l’ATM ForumI UNI, LANEI MPOA

utilisationI IPoAI offre triple play



Réseau de cellules

découpage en cellules de taille fixe

multiplexage temporel

un circuit = un sous-intervalle dédié aux cellules du circuit



Avantage des cellules

la taille fixe simplifie la gestion du multiplexage=> implémentation matérielle

adapté aux réseaux homogènes (typiquement de télécoms)



Cellule ATM

cellule de petite tailleI compromis débit latence



Entête



Multiplexage

synchrone

asynchrone

Avantage : tous les sous-intervalles sont bien utilisésE. Godard Routage 52 / 67


Principes d’ATM

sur une connexion les cellules suivent toutes le mêmechemin

la qualité de service peut être spécifique

2 couches principales (OSI 2-3)I ATMI AAL (ATM Adaptation Layer)



En couches



Structure du Réseau ATM

coeur du réseau (NNI) vs utilisateur (UNI)



Routage ATM

Les circuits sont structurés à 2 niveaux

Chemin virtuel (permanent) => VPI

Canal virtuel (à la demande) => VCI



Commutateur ATM



Utiliser ATM pour Internet

Le but de IP sur ATM est d’utiliser le réseau ATM de la mêmemanière qu’IP peut être déployé au dessus d’un LAN ethernet802.3.

Limitation Le réseau ATM n’a pas de mécanisme de diffusion,on ne peut donc configurer le réseau questatiquement.



Le Protocole MPLS

On recherche le meilleur des deux mondes : MPLS

entête ATM entête MPLS entête IP reste de la trame...

=> couche 2,5 !



Entête MPLS

Entête très simple

étiquette Exp S TTL20 3 1 8

L’étiquette (label) va en quelque sorte encoder un préfixede l’adresse IP de destination, mais en reprenant l’efficacitédes circuits virtuels.

Exp : expérimental

S : bit d’empilement des étiquettes

TTL : time to live



Routage MPLS



Routage








Routage Probabiliste pour les Réseaux à Connexion

Intermittentes

concerne les réseaux très dynamiques où les modificationssont la règle et non l’exception

I communication entre satellitesI communication sur des réseaux de capteurs mobiles

trajectoires périodiques (transports en commun)ou non

Prophet : RFC 6693 (2012)Le principe de base de Prophet est d’utiliser l’histoire desrencontres entre deux machines.



Une (R)Evolution à Venir ?

SDN (Software defined network) est une proposition d’architecture en couches pour le routage :

plan données au niveau données il suffit de connâıtre les règlespour l’acheminement : garde => actionopenflow est un standard proposé pour ce plan.Les critères pour la garde peuvent être

type de protocoleadresse de destinationcompteurs...=> règles très simple mais grande expressivité



Une (R)Evolution à Venir ?

plan contrôle celui est complètement déconnecté du plandonnées, il peut ne pas être exécuté sur le routeur=> serveurs puissants (et avec beaucoup demémoire !) spécialisés dans l’optimisation desroutes sur l’ensemble du graphe.



Routage









Le routage c’est

un algorithme distribué auto-stabilisant

une structure de données distribuée

organisation hiérarchique sur IP :

I en interne : algorithmes basés sur un calcul distribué desmeilleures routes

I en externe : moins automatique, politiques de routageexplicites car peu expressibles en terme de métrique.

voir aussi commutation de circuits


Routage"Vous êtes Ici"Définition du RoutageQuestions AlgorithmiquesCommutation de PaquetsCommutation de CircuitsLe Graphe InternetTopologie et Routage IP

Principes du RoutageGraphesGraphes et Routage IPTables et RoutageTables de Routage pour la Commutation de PaquetsOptimalité du RoutageTables vs Plan d'adressageExemples : Tables de Routage RéellesInterprétationCommutations de Paquets : AlgorithmesVecteurs de DistanceÉtat des LiensAlgorithme

Exemples de Protocoles de Routage : IPv4Communication Hors-Bande : ICMPMise à Jour des Informations de Routage IMise à Jour des Informations de Routage IIArchitecture GlobalePréfixe BGP : Le nombre de préfixes a augmentéRoutes BGPBGP et Politiques de RoutageOrganisation TarifairesLe coeur d'InternetUne Evolution Très Rapide : de 2000 ...Une Evolution Très Rapide : ... à 2011OSPF vs RIPOSPF vs RIPHistorique OSPFPlus Courts Chemins et Métrique OSPFExempleProblème du Compte-à-l'infiniAvancées RécentesTolérances aux défaillancesAuto-Stabilisation

Routage en Commutation de CircuitsRappel du PrincipeLe Protocole ATMRéseau de cellulesAvantage des cellulesCellule ATMEntêteMultiplexagePrincipes d'ATMEn couchesStructure du Réseau ATMRoutage ATMCommutateur ATMUtiliser ATM pour InternetLe Protocole MPLSEntête MPLSRoutage MPLS

Autres Protocoles de RoutageRoutage Probabiliste pour les Réseaux à Connexion IntermittentesUne (R)Evolution à Venir ?Une (R)Evolution à Venir ?


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