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Internetworking Protocol (IP) Problema a resolver: ¿Cómo conseguir que las aplicaciones sean independientes de la tecnología de red? ¿Qué pasa si interconectamos varias redes? ¿Cómo conseguir que cualquier par de Computadores (Hosts) puedan comunicarse? (servicio universal)
Tema 2: Internetworking Protocol (IP)
Funciones de IP Formato de la cabecera IPv4 Direcciones IP. Máscaras y subredes ARP Funcionalidad de un router Fragmentación y reensamblado Encaminamiento (RIP, OSPF, BGP4,CIDR) ICMP IPv6 DNS Conexión a Internet
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LAN WAN
WAN
LAN
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Tema 2: Internetworking Protocol (IP)
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Tema 2: Internetworking Protocol (IP)
4
Formato de la cabecera IP ver
Dirección de red
hlen
tos
total length flags
id
Dirección IP TTL
protocol
fragment offset header checksum
source IP address LAN
destination IP address WAN
options (if any) DATA
LAN WAN
........
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“Router”
ver: versión de IP (4) hlen: longitud de cabecera (nx4 Bytes) tos: Tipo de servicio (000dρrc0) total length: longitud del datagrama (n B) id: Identificador del datagrama TTL : Time to Live (tiempo de vida) protocol: ICMP, TCP, UDP, IGMP, ...
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Checksums Ejemplo: tcpdump -x -s 512 Método software (IP, TCP, UDP, ..) Checksum = - Σ Datos
45 10 05 dc 64 78 00 00 40 06 a3 4c 93 53 23 50 93 53 23 51 02 01 03 f0 28 c2 c7 e2 33 d4 71 80 50 18 3f e0 d8 50 00 00 32 20 etc...
i
16 bits
Paquete
cabecera IP: 0100 0101 0001 0000 0000 0101 1101 1100 0110 0100 0111 1000 0000 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0110 1010 0011 0100 1100 1001 0011 0101 0011 0010 0011 0101 0000 1001 0011 0101 0011 0010 0011 0101 0001 Cout Acum. 16 bits ver=4; hlen=5; TOS=min delay; totlen=05dc id= 0x6478; flags=000; offset=0 TTL= 64; protocol=6; h checksum= a3 4c source address= 93 53 23 50 (147.83.35.80) dest. address= 93 53 23 51 (147.83.35.81)
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Cin
Invertir bit a bit Checksum STD, Jorge García Vidal
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Tema 2: Internetworking Protocol (IP)
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Direcciones IP Las direcciones IP son de 32 bits. Se dividen en clases Checksum de la cabecera: 45 10 05 dc Si añadimos el 64 78 checksum, la 00 00 nueva suma 40 06 valdrá 0 00 00 93 53 23 50 93 53 23 51 2 5c b1 5c b3 => h checksum = a3 4c
CLASE A (0.0.0.0 a 127.255.255.255) netid (7)
hostid (24)
0
CLASE B (128.0.0.0 a 191.255.255.255) netid (14)
hostid (16)
10
CLASE C (192.0.0.0 a 223.255.255.255) netid (21)
hostid (8)
110
Direcciones de origen y destino de clase B
CLASE D (224.0.0.0 a 239.255.255.255) multicast group id (28) 1110
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Ejemplo: red 11.0.0.0 (A) El encaminamiento hasta la red 180.0.0 se basa en el inetid...
Algunas direcciones tienen significados especiales. 0.0.0.0 = Este host (No dirección destino. Solo al arrancar el sistema) netid=0, hostid: El hostid en esta red
.....
180.1.0.1
red 193.2.5.0 (C)
255.255.255.255 : Broadcast local (no dir. fuente)
red 180.1.0.0 (B)
.....
netid, hostid=-1 : Broadcast en la red indicada netid: 127: Loopback
180.1.0.1
Dentro de la red 180.0.0, el encaminamiento se basa en el hostid...
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Las direcciones IP en una internet deben ser únicas. En Internet, el IANA, dependiente del ICANN, se encarga de asegurar que las direcciones no se repiten. (Más en concreto, que los netid no se repiten). IANA delega esta responsabilidad en organismos como RIPE (Reseaux IP Europeenes), que a su vez los delega en Internet Registers (IRs). Una situación frecuente es que un IR asigne un bloque de direcciones a un ISP (Proveedor de Servicios de Internet), que a su vez las asigna e forma temporal o permanente a sus usuarios.
Algunos rangos de direcciones se reservan para su uso en redes no conectadas a Internet (ver NATs, tema 4). Clase A: 10.0.0.0 Clase B : 172.16.0.0 a 172.31.0.0 Clase C: 192.168.0.0 a 192.168.255.0
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Máscaras de Red Podemos definir “subredes”. Algunos bits del host id se emplean en indicar el numero de subred: La máscara indica los bits que son host id: Ejemplo: Dirección: 147.83.35.80 (Clase B) Máscara: 255.255.255.0 1111 1111. 1111 1111. 1111 1111. 0000.0000
=> Los 8 ultimos bits indican el host id => En una direccion clase B los bits 8 a 15 son el numero de la subred.
Notación: Dirección/logitud del prefijo ej: 147.83.35.80/24
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Iface eth0 lo eth0 irtt 0 0 0
Tablas de encaminamiento (routing)
tabla de routing
IP
eth0
ppp0
lo
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[root@galatzo jorge]# netstat -rn Kernel IP routing table Destination Gateway Genmask 147.83.35.0 0.0.0.0 255.255.255.0 127.0.0.0 0.0.0.0 255.0.0.0 0.0.0.0 147.83.35.2 0.0.0.0 [root@galatzo jorge]#
Ejemplo: (Linux)
Flags U U UG
MSS 1500 3584 1500
Window 0 0 0
Cada host debe tener una tabla de encaminamiento que permite decidir al módulo IP a qué interface debe entregar un datagrama para que sea transmitido y si se debe enviar a través de un router o bien de forma directa al host destinatario
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Tema 2: Internetworking Protocol (IP)
“Longest Prefix Match” Internet
Red 147.83.0.0/16 Subred 147.83.35.0/24 host 147.83.35.81/24
.....
Subred 147.83.36.0/24
Ejemplo: Tabla de encaminamiento
.....
Subred 147.83.37.192/26
.....
Subred 147.83.37.128/26
147.83.35.0/24 => eth0 147.83.35.21/32 => ppp0 147.83.0.0/16 => eth1 Resultados para diferentes direcciones:
host: 147.83.37.133/26
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Cuando miramos la tabla de routing podemos encontrar que una dirección se ajusta a varias entradas de la tabla. Debemos escoger la entrada en la que coincide el prefijo más largo (“Longest prefix match”)
147.83.34.1 -------> eth1 147.83.35.2 -------> eth0 147.83.35.21 -----> ppp0
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ARP: Resolución de direcciones Ejemplo:
Conocemos la dirección IP de un host. Queremos averiguar su dirección de red. Para cada tipo de red la solución es distinta.
FTP
resolver
resolver: (gethostbyname()) DNS o /etc/host
TCP
Caso de red Ethernet: @IPA
IP ARP
@IPB
driver @ethA
@ethB
El host A envía un broadcast preguntando: ¿Cuál es la direcc. Eth. del host @IPB? El host B recibe este mensaje y contesta al host A: “El host con @IPB tiene dirección ethernet @ethB.”
driver ARP
driver ARP
IP
IP
Todos los hosts de la red actualizan su tabla de ARP STD, Jorge García Vidal
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Cada host mantiene una cache con mapeos direcciones ethernet/direcciones IP. Normalmente las entradas se eliminan cuando pasan unos minutos después de haber sido obtenidas
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Para cada tipo de red se define un formato de paquete ARP. Ejemplo: Ethernet:
Dirección ethernet destino
[root@galatzo jorge]# arp -n Address HWtype HWaddress Flags Mask Iface 147.83.35.2 ether 00:10:F6:B5:E4:00 C eth0
Dirección ethernet origen
[root@galatzo jorge]# telnet beco.ac.upc.es Trying 147.83.35.81... Connected to beco.ac.upc.es. Escape character is ’^]’.
Tipo de trama Tipo de dirección hardware (ethernet)
FreeBSD/i386 (beco.ac.upc.es) (ttyp1)
Tipo de dirección de red (IP) login: telnet> close Connection closed. [root@galatzo jorge]# arp -n Address HWtype HWaddress Flags Mask 147.83.35.81 ether 00:A0:24:4D:A7:6A C 147.83.35.2 ether 00:10:F6:B5:E4:00 C
Tamaño de las direcciones hwd y de red Tipo de comando (ARP/RARP req, reply) Dirección ethernet del que envía
Iface eth0 eth0
Dirección IP del que envía
[root@galatzo jorge]#
Dirección Ethernet pedida Dirección IP pedida
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Proxy ARP A arp?
B
.....
ARP gratuito (“gratuitous ARP”) A
el router responde y da su dirección ethernet en vez de la dirección del host B. NO es la forma normal de funcionamiento (Confusión frecuente en los exámenes!).
Cuando el host A arranca hace una petición ARP de su propia dirección IP. De esta forma sabe si está repetida y actualiza las tablas ARP del resto de hosts de la red.
1 3 2
.....
..... arp?
Ejemplo: Mobile IP STD, Jorge García Vidal
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Qué pasa cuando una red no permite realizar de forma sencilla un broadcast? Ej: Lan ATM
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Funcionalidad de un router
RFC 1577: “Classical IP over ATM” conmutador ATM
.....
Si el host A quiere enviar un datagrama IP al host B, lo envía de forma directa (Debe primero averiguar su dir. de red) @IPA
Logical IP Subnet (LIS): nodos IP que se conectan a una única red ATM y que pertenecen a la misma subred IP En cada LIS hay un servidor ATMARP. Los nodos del LIS se configuran con la direccion física (ATM) del servidor ATMARP. Cuando un nodo se conecta a una LIS comunica al servidor ATMARP su dirección IP y su dirección ATM. Cuando un nodo debe resolver una dirección pregunta al servidor ATMARP que contesta con el mapeo. El nodo establece entonces un VC al destino. STD, Jorge García Vidal
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@IPB
.....
@IPC
.....
Si el host A quiere enviar un datagrama IP al host C, lo envía al router, quien se encarga de encaminarlo a su destino @IPA
@IPB
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..... .....
@IPC
@IPA
@IPB
.....
Dirección Ethernet Origen: Router 1, b Destino: Router 2, a
El host A consulta su tabla de routing y deduce que debe enviar el paquete al Router 1
@IPC
@IPA
.....
Dirección IP Origen: A Destino: C
Router 1
.....
@IPC
Router 2
Dirección Ethernet Origen: A Destino: B
.....
@IPB
Dirección Ethernet Origen: A Destino: Router 1, a
Dirección IP Origen: A Destino: B
Dirección IP Origen: A Destino: C
Dirección IP Origen: A Destino: C
NOTA: Los routers tienen una dirección de IP por cada interfaz
El Host A consulta su tabla de routing y de ahí deduce que debe transmitir el paquete de forma directa a su destino, sin necesidad de atravesar ningún router
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Dirección Ethernet Origen: Router 2,b Destino: C
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Para poder encaminar los datagramas IP a través de varias redes, los routers deben construir tablas de encaminamiento (Algoritmos de encaminamiento)
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Diferencias entre un host multihomed y un router
TCP/UDP IP
LAN WAN
Driver1
Driver2
LAN WAN
Si un host recibe un datagrama IP que no está dirigido a él, lo ignora IP es un protocolo NO orientado a la conexión. Esto quiere decir que cada paquete se encamina de forma independiente a través de la red.
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Si un router recibe un datagrama IP que no está dirigido a él, intenta encaminarlo a su destino (IP forwarding)
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TCP/IP en un host
Para conseguir mayor capacidad de encaminamiento (paquetes/s), los routers de alto rendimiento tienen arquitecturas especializadas.
Aplicaciones
CPU Mem so_input
NIC
so_output Bus CPU Mem
tcp_input
NIC
tcp_output Bus
ip_fwdn ip_input
Dr
ip_output
Dr
Dr
CPU Mem
NIC
Red de Interconexión
Dr
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Tema 2: Internetworking Protocol (IP)
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Fragmentación y reensamblado tabla de routing
Simplificando...
A
R1
..... ..... mtu = 1500
Servidor Buffer (Memoria) (Recepción, Consulta a tabla de routing, Transmisión)
Cuando el tráfico de entrada es muy elevado (congestión) se acumulan paquetes en el buffer. Si el número de paquetes almacenados crece demasiado, se producen pérdidas.
mtu = 530
mtu = 1500
Path mtu = 530
Si el host A envía a B un datagrama IP con un tamaño de 1500 bytes, el R1 debe fragmentar el datagrama El datagrama NO se reensambla en R2, sino que se reensambla en B. R2 debe encaminar cada uno de los fragmentos como si fueran datagramas IP independientes.
En el próximo tema (TCP) volveremos sobre este punto...
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B
R2
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1500 = 1480 + 20 so_input
Dirección IP origen: A Dirección IP destino: B Flag M = 0
Buffer Rx Buffer Tx
FRAGMENTACIÓN
524 = 504 + 20
Dirección IP origen/destino : A/B Flag M = 1; Id; Offset = 0
524 = 504 + 20
Los campos de datos de todos los fragmentos excepto el último deben ser de longitud multiplo de 8 octetos
Dirección IP origen/destino : A/B Flag M = 1; Id; Offset = 504
Out-ofOrder Segments tcp_output
tcp_input ip_fwdn ip_input
492 = 472 + 20 ( 504+504+472=1480)
ip_output Buffers driv. Tx Buffer frag. IP IP Rx
Dirección IP origen/destino : A/B Flag M = 0; Id; Offset = 1008
Dr
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so_output
Dr
Dr
Dr
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Routers, conmutadores y bridges Resumen de las características de IP Un router encamina datagramas IP (nivel 3) Objetivo: Aislar a las aplicaciones de las diferentes tecnologías de red
Un conmutador (o un bridge) encamina tramas Ethernet (o de otra LAN), (nivel 2)
Direcciones de 32 bits Encaminamiento entre redes a través de routers Protocolo NO orientado a la conexión Fragmentación y reensamblado
Los routers no encaminan las tramas broadcast. Los routers no son dispositivos transparentes. Los routers soportan interfaces a diferentes tecnologías de red (ej: Eth/FR) Los conmutadores deben estar dispuestos en redes sin bucles (árbol)
IP no intenta recuperar los datagramas que se pierden. No asegura que llegan en el orden correcto.
Los conmutadores permiten conmutar tramas a mayor velocidad Los conmutadores son más baratos que los routers.
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Tabla de Encaminamiento
A
A N1 R4
R4 N3
R1
B
N2
R1 ?
R5 R2
R2
?
R3
N8
N5 ?
B
R5
R3
Para poder tomar esta decisión, cada Router construye una tabla de encaminamiento:
Cada uno de los routers de la red debe tomar una decisión: ¿Por dónde se debe encaminar los paquetes IP para poder comunicar A con B?
Tabla encaminamiento de R2:
Ejemplo: R1 decide encaminar los paq. por R2. R2 debe ahora tomar la siguiente decisión: ¿Encamino el paquete por R4 o por R3?.
Para ir hasta ...
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...el mejor camino es seguir por...
N1 N6 N3 N8 N5 ...
Debemos minimizar un coste (ejemplo: número de hops, retardo medio, etc)
R1 R3 R4 R3 local ...
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[root@galatzo jorge]# netstat -rn Kernel IP routing table Destination Gateway Genmask 147.83.35.0 0.0.0.0 255.255.255.0 127.0.0.0 0.0.0.0 255.0.0.0 default 147.83.35.2 0.0.0.0 [root@galatzo jorge]#
Flags Iface U eth0 U lo UG eth0
147.83.35.2 (default router) Internet
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..... ..... ..... ..... ..... Algoritmos de ..... encaminamiento exteriores (EGP: BGP4)
galatzo.ac.upc.es
..... .....
147.83.35.3
.....
Sistema Autónomo (AS) (número de AS)
147.83.35.0/24
.....
147.83.36.0/24
[root@galatzo jorge]# netstat -rn Kernel IP routing table Destination Gateway Genmask Flags Iface 147.83.35.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U eth0 127.0.0.0 0.0.0.0 255.0.0.0 U lo 0.0.0.0 147.83.35.2 0.0.0.0 UG eth0 [root@galatzo jorge]# route add -net 147.83.36.0 gw 147.83.35.3 netmask 255.255.255.0 eth0 [root@galatzo jorge]# netstat -rn Kernel IP routing table Destination Gateway Genmask Flags Iface 147.83.35.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U eth0 147.83.36.0 147.83.35.3 255.255.255.0 UG eth0 127.0.0.0 0.0.0.0 255.0.0.0 U lo 0.0.0.0 147.83.35.2 0.0.0.0 UG eth0 [root@galatzo jorge]# route del -net 147.83.36.0 gw 147.83.35.3 netmask 255.255.255.0 eth0
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N4 ?
N9
N7 N6
..... .....
host: 147.83.37.133/26 Algoritmos de encaminamiento interiores (IGP: RIP, OSPF, IGRP) STD, Jorge García Vidal
Encaminamiento dinámico distribuido: RIP (Vector de Distancias) A
Encaminamiento estático A Tabla Encaminamiento
R4
n1 n2...
Tabla Encaminamiento n1 n2...
Tabla Encaminamiento
B
Tabla Encaminamiento
R1
R4
n1 n2...
n1 n2...
Tabla Encaminamiento n1 n2...
B
Tabla Encaminamiento
R1
n1 n2...
R5 Tabla Encaminamiento n1 n2...
R2
R5 Tabla Encaminamiento
R3
Tabla Encaminamiento
n1 n2...
R3
R2
Tabla Encaminamiento
n1 n2...
n1 n2...
Cada router intercambia con los routers VECINOS de forma periódica información sobre el coste de comunicación a TODAS las subredes de la red. (ej: cada 30 s)
Los gestores de la internet construyen las tablas de encaminamiento para cada Router
A partir de la información recibida, cada router actualiza sus tablas de encaminamiento
Sencillo, pero lejos del comportamiento óptimo y necesidad de mantener muchas tablas
Algoritmo de Bellman-Ford distribuido
=> Internets pequeñas y sencillas
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Ejemplo: Dij (n) = mink ( Dij(n-1), dik+Dkj(n-1))
N4
N1 R1
N3 R4 R3 R2 N5
Tabla de R1 Tabla de R2 Tabla de R3 Tabla de R4 Red Dist. Red Dist. Red Dist. Red Dist. N1 0 (local) N4 0 (local) N3 0 (local) N2 0 (local) N3 0 (local) N5 0 (local) N5 0 (local) N3 0 (local) N5 1 (R3) N3 1 (R3) N1 1 (R1) N1 1 (R1) N2 1 (R4) N2 1 (R4) N5 1 (R3) N4 1 (R2) Tabla de R1 Tabla de R2 Tabla de R3 Tabla de R4 Red Dist. Red Dist. Red Dist. Red Dist. N1 0 (local) N4 0 (local) N3 0 (local) N2 0 (local) N3 0 (local) N5 0 (local) N5 0 (local) N3 0 (local) N5 1 (R3) N3 1 (R3) N1 1 (R1) N1 1 (R1) N2 1 (R4) N2 1 (R4) N5 1 (R3) N1 2 (R3) N4 2 (R3) N4 1 (R2) N2 2 (R3) N4 2 (R3) Nota: Si la distancia en la tabla es más pequeña que la anunciada por el router por donde encaminamos, se actualiza en la tabla con la nueva distancia.
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Cuenta a infinito
N2
Tabla de R1 Tabla de R2 Tabla de R3 Tabla de R4 Red Dist. Red Dist. Red Dist. Red Dist. N1 0 (local) N4 0 (local) N3 0 (local) N2 0 (local) N3 0 (local) N5 0 (local) N5 0 (local) N3 0 (local)
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Cada 30 s. los routers se intercambian mensajes de encaminamiento. Si el enlace entre R2 y R3 queda roto (ej: 180 s. sin recibir esos mensajes)...
N1 R1 N4
N2
N3 R4 R3 R2 N5
Tabla de R1 Tabla de R2 Tabla de R3 Tabla de R4 Red Dist. Red Dist. Red Dist. Red Dist. N1 0 (local) N4 0 (local) N3 0 (local) N2 0 (local) N3 0 (local) N5 0 (local) N5 0 (local) N3 0 (local) N5 1 (R3) N3 1 (R3) N1 1 (R1) N1 1 (R1) N2 1 (R4) N1 2 (R3) N2 1 (R4) N5 1 (R3) N4 2 (R3) N2 2 (R3) N4 1 (R2) N4 2 (R3) Tabla de R1 Tabla de R2 Tabla de R3 Tabla de R4 Red Dist. Red Dist. Red Dist. Red Dist. N1 0 (local) N4 0 (local) N3 0 (local) N2 0 (local) N3 0 (local) N5 inf N5 0 (local) N3 0 (local) N5 1 (R3) N3 inf N1 1 (R1) N1 1 (R1) N2 1 (R4) N2 1 (R4) N5 1 (R3) N1 inf N4 2 (R3) N4 3 (R4) N2 inf N4 2 (R3) Tabla de R1 Tabla de R2 Tabla de R3 Tabla de R4 Red Dist. Red Dist. Red Dist. Red Dist. N1 0 (local) N4 0 (local) N3 0 (local) N2 0 (local) N3 0 (local) N5 inf N5 0 (local) N3 0 (local) N5 1 (R3) N3 inf N1 1 (R1) N1 1 (R1) N2 1 (R4) N1 inf N2 1 (R4) N5 1 (R3) N4 3 (R3) N2 inf N4 4 (R4) N4 3 (R3) BUCLES!!! STD, Jorge García Vidal
ETC...
RIP: Fue inicialmente implementado en el código de BSD (programa routed)
Normalmente fijaremos un valor de distancia como “infinito” (ej: 16).
Formato de los mensajes (UDP puerto 520 orig/dest)
N2 “Split Horizon” N1 Si R1 y R4 encaminan N3 R1 R4 los paquetes con destino R3 R2 por R3, NO N4 R2 N5 envían a R3 su distancia a R2=>R3 advertirá una distancia “infinita” a R2.
comando
versión
familia de direcciones
0
0
0
0
dirección IP 0 0 métrica dirección IP 0 0 métrica
“Split Horizon and Poison reverse” Si R1 y R4 encaminan los paquetes con destino R2 por R3, SI envían a R3 una distancia a R2, pero esta distancia vale “infinito”.
etc... Comando: Request (1)/Response (2) Versión: (1) Familia de direcciones: IP (2) Las respuestas se envían en broadcast cada 30 s. o cada vez que debamos cambiar la tabla de routing.
“Triggered Updates” Si un router ha cambiado su tabla, no espera 30 s. a enviársela a sus vecinos, sino que envía los cambios de manera (casi) inmediata.
Utiliza “Split horizon” (opcionalmente con “poison reverse”) y “triggered updates”. Al no pasar máscaras de red, no podemos distinguir un host de una subred salvo que usemos en toda la red la misma máscara.
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Encaminamiento dinámico distribuido: OSPF, (Estado del enlace, “Link State”) A Tabla Encaminamiento
R4
B
Tabla Encaminamiento n1 n2...
R5 Tabla Encaminamiento
R2
R3
Tabla Encaminamiento n1 n2...
Cada router intercambia con TODOS los routers información sobre el coste de a cada subred VECINA cuando se produce un cambio. A partir de la información recibida, cada router actualiza sus tablas de encaminamiento .
N2
N3 R4 R3 R2 N5
Tabla de R1 Tabla de R2 Tabla de R3 Tabla de R4 Red Dist. Red Dist. Red Dist. Red Dist. N1 1 (local) N4 1 (local) N3 1 (local) N2 1 (local) N3 1 (local) N5 1 (local) N5 1 (local) N3 1 (local)
Cada router envía las redes a las que se conecta directamente al resto de routers de la red... Tabla de R1 Tabla de R2 Tabla de R3 Tabla de R4 Red Dist. Red Dist. Red Dist. Red Dist. N1 1 (local) N4 1 (local) N3 1 (local) N2 1 (local) N3 1 (local) N5 1 (local) N5 1 (local) N3 1 (local) N5 2 (R3) N3 2 (R3) N1 2 (R1) N1 2 (R1) N2 2 (R4) N2 2 (R4) N5 2 (R3) N1 3 (R3) N4 3 (R3) N4 2 (R2) N2 3 (R3) N4 3 (R3)
“Link State Database” Algoritmo de Djikstra STD, Jorge García Vidal
N1 R1 N4
n1 n2...
R1
48
Ejemplo:
Tabla Encaminamiento
n1 n2...
n1 n2...
Tema 2: Internetworking Protocol (IP)
STD, Jorge García Vidal