Reti di CalcolatoriAndrea Frosini1 Reti di Calcolatori a.a. 2005/06 Lezione 14.

Reti di Calcolatori Andrea Frosini 1

Reti di Calcolatoria.a. 2005/06

Lezione 14


Nel modello di riferimento:

Application

Transport

Network

Data Link

Fisico


Controllo della congestione

Il controllo della congestione della communication subnet è uno dei compitifondamentali del livello Network

Non è da confondere con il controllo del flusso!

Il controllo del flusso è relativo ad una singola connessione tra due entità sorgentee destinazione: un canale di comunicazione (gestito a livello Data Link), uncircuito virtuale (gestito a livello Network), una connessione tra due applicazioni(gestito a livello Transport o superiore)…

Il controllo della congestione è globale, ossia relativo all’intera communicationsubnet, ed è svolto dal livello Network o dal livello Transport


Si verifica congestione quando un router non è più in grado di gestire i pacchetti che gli arrivano

E’ un meccanismo a cascata, perché i pacchetti scartati causano ritrasmissioni (da parte dei router vicini a quello congestionato oppure da parte degli host trasmittenti)

Generalmente la congestione è dovuta a componenti della subnet non adeguati per gestire il carico:

Cause della congestione

• troppi pochi buffer in un router (ma una quantità infinita di buffer nei router non necessariamente allevia la congestione)

• processore troppo lento in un router

• linea di trasmissione troppo lenta


Tipologie di controllo della congestione

• open loop (senza contro-reazione):

– corretto dimensionamento degli elementi della communication subnet

– opportune strategie per accettazione di nuovi pacchetti o nuove connessioni

– opportune strategie di scheduling dei pacchetti nei router

– opportune scelte per i parametri dei protocolli di livello Data Link, Network e Transport

– non è adattivo

• closed loop (con contro-reazione):

– monitorizza il sistema per rilevare quando e dove si verifica congestione

– invia le informazioni nei luoghi in cui si può rimediare

– modifica i parametri dei protocolli per correggere il problema


Una delle principali difficoltà nel controllo della congestione è che il traffico è spessodi tipo burst (alte punte di traffico in tempi brevi alternate a lunghi periodi di trafficopiù basso)

Un metodo per controllare la congestione consiste nel modellare il traffico (trafficshaping) in modo da renderlo predicibile

E’ un approccio di tipo open loop (non adattivo)

• algoritmo leaky bucket

• algoritmo token bucket

Traffic shaping


L’algoritmo leaky bucket (secchio che perde) regolarizza il traffico uscente da un hostritardando il traffico “burst”:

• è basato su un buffer a coda (queue) di dimensione finita

• i pacchetti possono essere rimossi dalla coda e trasmessi ad una frequenzamassima prefissata

• se la coda si riempie completamente, nuovi pacchetti vengono scartati

• se i pacchetti hanno dimensione variabile, si può modificare l’algoritmo in mododa inviare byte con frequenza massima prefissata

Algoritmo leaky bucket I


Algoritmo leaky bucket II

Host

Livello Fisico


Algoritmo token bucket I

L’algoritmo token bucket (secchio di gettoni) è simile all’algoritmo leaky bucket, ma è più flessibile nel tagliare il traffico di tipo burst e non perde pacchetti quando la coda è piena. In pratica si consentono irregolarità “controllate” nel flusso in uscita sulla rete

• Il secchio contiene gettoni (token) e non pacchetti

• Per spedire un pacchetto si deve prelevare un gettone dal secchio

• Nuovi gettoni vengono immessi nel secchio ad intervalli di tempo regolari (ad esempio, uno ogni millisecondo)

• Il secchio ha una capacità massima prefissata


• Se i pacchetti hanno dimensione variabile, un gettone può rappresentare il diritto di trasmettere un numero prefissato di byte invece di un intero pacchetto

• Le trasmissioni di pacchetti avvengono alla massima velocità possibile del canale di comunicazione finché il secchio è pieno, poi secondo il tasso di generazione dei gettoni

• Se il secchio è vuoto, i pacchetti non vengono perduti: l’host deve bloccare e attendere che venga generato un nuovo gettone

• Consente alte punte di traffico, ma limita la lunghezza del burst. Per ridurre i picchi si usa spesso un leaky bucket dopo il token bucket

Algoritmo token bucket II

Leaky bucket e token bucket sono utili per il traffico host-router e router-router

Se il router sorgente deve fermarsi e non ha spazio sufficiente, si può aver perdita


Gli algoritmi di traffic shaping sono molto efficaci quando sono adottati consistentemente da sorgente, communication subnet e ricevente.

In particolare, sorgente, subnet e ricevente devono accordarsi in anticipo su:

• le caratteristiche del traffico generato (data rate, frequenza dei burst, . . . )

• la qualità del servizio garantita dalla subnet (ritardo di trasmissione, varianza del tempo di trasmissione (jitter ), tasso di pacchetti persi, . . . )

E’ possibile adottare il flow specification sia nelle subnet organizzate con circuiti virtuali (più facile) che in quelle organizzate con datagram (più difficile)

Flow specification: controllo della congestione


Il metodo più semplice per controllare la congestione delle subnet organizzate con circuiti virtuali è l’admission control (controllo d’accesso)

Quando viene rilevata congestione in una parte della subnet:

• i nuovi circuiti virtuali vengono instradati su percorsi non sovraccarichi

• se non è possibile trovare un percorso non sovraccarico, viene impedita la creazione di nuovi circuiti virtuali fino alla scomparsa della congestione

E’ un algoritmo di tipo closed loop, perché si adatta al traffico della subnet

E’ anche possibile utilizzare il flow specification per “prenotare” le risorse della subnet utilizzate da ciascun circuito virtuale

Controllo della congestione con circuiti virtuali


Gli algoritmi closed loop utilizzati nelle subnet a commutazione di pacchetto possono essere utilizzati anche nelle subnet con circuiti virtuali

In ogni algoritmo closed loop, ciascun router monitorizza l’utilizzo delle sue linee di comunicazione e delle altre sue risorse

Ad esempio, si associa a ciascuna linea una variabile reale u che rappresenta il suo utilizzo; ad intervalli regolari la linea viene monitorata e la variabile aggiornata:

unew = a × uold + (1 - a) × f

f rappresenta l’utilizzo istantaneo della linea, ed a (0, 1) il peso che viene dato alla storia passata

Controllo della congestione in subnet basate su datagram


Se per una certa linea di un router la variabile u supera una soglia prefissata, allora per ogni pacchetto P che transita su una linea sovraccarica, il router:

• invia un choke packet all’ host sorgente del pacchetto

• prima di ri-trasmettere P al router successivo, imposta un flag nella testata del pacchetto cosicché il router seguente non generi un altro choke packet

Quando l’ host sorgente riceve un choke packet:

• riduce il tasso di trasmissione (ad esempio, del 50%)

• fa partire un timer ed ignora i choke packet che arrivano prima che il timer scada

• dopo la scadenza del timer:

– se arriva un altro choke packet, riduce ulteriormente il tasso di trasmissione (ad esempio, per un ulteriore 25%)

– se non arrivano altri choke packet, aumenta gradualmente il tasso di trasmissione (ad esempio, del 5% alla volta)

Algoritmo choke packet


Algoritmo hop-by-hop choke packet

Il principale difetto dell’algoritmo choke packet è la sua lentezza quando il router

congestionato è molto distante dall’ host sorgente oppure la subnet è molto veloce

L’algoritmo hop-by-hop choke packet è una variante del choke packet in cui

ciascun router che riceve il choke packet rallenta il tasso di trasmissione (oltre a

ritrasmettere all’indietro il choke packet stesso)

Il router congestionato ha immediato sollievo

La capacità dei buffer nei router deve essere maggiore


Per connettere fra loro reti eterogenee si devono superare problemi non banali, tra i quali:

- Difformità nei formati dei pacchetti e degli indirizzi

- Difformità, nelle subnet, dei meccanismi di controllo dell'errore e della congestione

- Diverse architetture di rete, diversi servizi offerti dai vari livelli, diverse modalità di indirizzamento, diverse dimensioni massime dei pacchetti

Tecniche

- Bridge livello data link

- Router multiprotocollo: gestione contemporanea di più pile di protocolli

Internetworking


Un dispositivo operante a livello Network in grado di gestire pacchetti appartenenti a reti con diversa architettura di rete è chiamato router multiprotocollo, o anche gateway

Il termine gateway talvolta indica anche dispositivi che operano a livello differente: ripetitori (livello Fisico) e bridge (livello Data Link), transport gateway e application gateway

Il termine router multiprotocollo denota un dispositivo che opera solamente a livello Network

In pratica i dispositivi in vendita hanno caratteristiche tali per cui non è sempre facile stabilire a quale livello essi operano. Ad esempio, molti dispositivi operano come ripetitori, come bridge e come router multiprotocollo (brouter)

Router multiprotocollo


Concatenazione di circuiti virtuali

Se tutte le reti interessate offrono servizi della stessa tipologia a livello Network (ad esempio, connection-oriented affidabile, con determinate garanzie sullaqualità del servizio, . . . ) è possibile costruire un circuito virtuale che si estende attraverso più reti eterogenee come concatenazione di circuiti virtuali che attraversano ciascuno una delle reti (ricordiamo: circuito virtuale = connessione logica tra due host, anche non consecutivi, della rete).

Ciascun circuito virtuale di una subnet omogenea termina in un router multiprotocolloche lo collega al circuito virtuale di un’altra subnet e che instrada successivamente i pacchetti lungo tale circuito virtuale

E’ una tipica strategia di internetworking tra communication subnet organizzate concircuiti virtuali


Connectionless internetworking

La strategia connectionless internetworking è utilizzata quando le communication subnet sono organizzate con datagram

E’ alternativa ai circuiti virtuali concatenati

I pacchetti viaggiano indipendentemente e possono arrivare fuori ordine

router

multiprotocollo

rete A

rete C

rete C

rete B

rete A

router


Sebbene i router multiprotocollo possano in teoria permettere la comunicazione tra host in reti con architetture molto differenti tra loro, in pratica questo avviene molto raramente:

• ciascun host dovrebbe possedere non solo l’indirizzo relativo alla rete di cui fa parte, ma anche un indirizzo valido per ciascuna rete da cui potrebbe ricevere pacchetti (IP, DECnet, IPX, SNA, AppleTalk, . . . )

• i formati dei pacchetti nelle due reti possono essere troppo differenti perché una completa conversione di formato sia possibile

• funzionalità quali trasmissione di pacchetti broadcast, qualità del servizio e sicurezza potrebbero essere supportate da una rete ma non dall’altra

Quindi anche se i router multiprotocollo possono gestire pacchetti di diverso tipo, le reti in cui si trovano gli host sorgente e destinazione sono generalmente dello stesso tipo o almeno “compatibili”

Limiti dell’internetworking


Il tunneling è una strategia di internetworking che consente di collegare due reti A e B utilizzanti la stessa architettura tramite una rete C utilizzante una architettura differente

• Il pacchetto Network proveniente da una rete viene incapsulato da un router multiprotocollo all’interno di un pacchetto Network della rete C

• Il nuovo pacchetto viaggia normalmente all’interno della rete C fino ad un altro router multiprotocollo

• Il secondo router multiprotocollo estrae il vecchio pacchetto Network e lo invia sulla rete B

Tunneling

rete A rete C rete A

Head A Head A

Head AHead C

tunnel


Il livello Transport di quasi tutte le architetture di rete offre un servizio di tipo connection oriented affidabile

E’ quindi naturale definire un meccanismo di internetworking a livello Transport basato sulla concatenazione di circuiti virtuali

E’ analogo all’internetworking basato sulla concatenazione di circuiti virtuali a livello Network, ma si appoggia ai protocolli del livello Transport

I dispositivi che svolgono questo servizio sono chiamati transport gateway

Internetworking a livello Transport


Un ulteriore servizio di internetworking può essere offerto dal livello Application da dispositivi chiamati application gateway

Ad esempio è possibile definire un servizio di posta elettronica che converta il formato dei messaggi di posta quando sorgente e destinazione sono in reti con diverse architetture

Ad esempio per inviare un messaggio da un host TCP/IP ad un host OSI:

• si compone il messaggio di posta elettronica nel formato Internet; l’indirizzo è quello dell’utente OSI, codificato secondo lo standard TCP/IP

• il messaggio viene inviato ad un mail gateway

• il mail gateway converte il messaggio nel formato OSI, e lo invia all’utente OSI

Internetworking a livello Application


In una internetwork le singole reti componenti sono entità autonome e vengono chiamate AS (Autonomous System)

Il routing complessivo è a due livelli:

1. Un primo livello è costituito dall'Interior Gateway Protocol (IGP) che identifica l'algoritmo di routing usato da un AS al proprio interno. Diversi AS possono utilizzare diversi IGP

2. Un secondo livello è dato dall’Exterior Gateway Protocol (EGP), che è l'algoritmo che si usa per gestire il routing fra diversi AS. Deve tener conto di specifiche leggi nazionali (divieto di far transitare dati sul suolo di una nazione ostile), per cui le decisioni di routing devono adattarsi a tali direttive

Internetwork routing


Una particolare internetwork è chiamata Internet

• è molto grande ed estesa

• è costituita da molti AS (Autonomous Systems) connessi tra loro

• le linee di comunicazione principali sono le backbone: communication subnet con linee ad alta capacità e router veloci

• ai backbones sono collegati le communication subnet nazionali e regionali (midlevel subnet)

• alle midlevel subnet sono collegate le LAN di università, compagnie, Internet service provider, . . .

Internet


Schema di Internet


Il livello Network dell’Internet Protocol Suite è il più importante:

• svolge principalmente i servizi di internetworking e routing

• è basato sul protocollo IP (Internet Protocol)

• offre un servizio connectionless non affidabile

• è organizzato con datagram

Il livello Network dell’IPS


• riceve i dati dal livello Transport

• incapsula i dati in pacchetti di max 64 Kbyte (in genere la lunghezza è di 1.500 byte)

• instrada i pacchetti sulla subnet, eventualmente frammentandoli

• riassembla (se necessario) i frammenti ricevuti in pacchetti

• estrae dai pacchetti ricevuti i dati del livello Transport

• consegna al livello Transport i dati nell’ordine in cui sono arrivati (che non è necessariamente quello in cui sono partiti)

Schema del protocollo IP


Formato del pacchetto IP


• Version (4 bit): numero di versione del protocollo IP

• IHL (4 bit): lunghezza dell’ header del pacchetto in parole da 32 bit (minimo=20 byte, massimo=60 byte)

• Type of service (8 bit, non tutti necessariamente utilizzati): codifica la qualità del servizio richiesto dall’ host alla communication subnet; in pratica `e ignorato

• Total length (16 bit): lunghezza totale del pacchetto, compreso l’header (massimo=65535 byte)

• Identification (16 bit): Identificatore del datagram utilizzato in caso di frammentazione

• DF (1 bit, Don’t Fragment): indica che il datagram non può essere frammentato (il ricevente non è in grado di riassemblare il pacchetto)

• MF (1 bit, More Fragments): indica che il frammento non è l’ultimo del datagram

L’header IP I


• Fragment offset (13 bit): posizione relativa del frammento all’interno del datagram in multipli di 8 byte (non è il numero d’ordine del frammento!)

• Time to live o TTL (8 bit): contatore per limitare la vita del pacchetto; in teoria è decrementato una volta al secondo, in pratica ad ogni hop; quando raggiunge zero il pacchetto viene scartato ed un avvertimento inviato all’host sorgente

• Protocol (8 bit): indica quale protocollo deve ricevere i dati nel pacchetto (generalmente un protocollo di livello Transport come TCP o UDP; in RFC 1700 sono definiti un centinaio di numeri, ma il database completo oggi on-line su www.iana.org)

• Header checksum (16 bit): bit di controllo per il solo header, calcolati raggruppando i bit dell’header in parole da 16 bit (escluso il campo Header checksum stesso), calcolandone la somma in complemento ad 1, e prendendo il complemento ad 1 del risultato; deve essere ricalcolato ad ogni hop

• Source address (32 bit): network number e host number dell’host sorgente

L’header IP II


L’header IP III

• Destination address (32 bit): network number e host number dell’host destinazione

• Options (da 0 a 10 parole da 32 bit): alcune possibili opzioni sono:

– Security: indica la “segretezza” del datagram

– Strict source routing: indica il percorso che il datagram deve seguire

– Loose source routing: indica alcuni router da includere nel percorso

– Record route: forza ogni router ad appendere il proprio indirizzo IP

– Timestamp: come sopra, ma i router appendono anche un timestamp

In totale sono state definite una ventina di opzioni

In generale le opzioni non sono molto utilizzate, e non tutti i router sono in grado di gestirle

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