1. רשתות תקשורת מחשבים שכבת האינטרנט (רשת)
מרצה עמית דביר
מצגות הקורס עושות שימוש בתרשימים של Kurose & Ross ©
ראו גם:
ומתבססות על שקפים של בעז בן משה אמיר הרצברג ואיציק קיטורזר
רשתות תקשורת מחשבים 1 1

2. שכבת האינטרנט (רשת) מטרות הפרק: הבנת העקרונות מאחורי שרותי שכבת הרשת:
סקירה:
שרותי שכבת הרשת
עקרונות ניתוב: בחירת נתיב
ניתוב היררכי IP
פרוטוקולי ניתוב באינטרנט:
- תוך-דומיין
- בין-דומיין
מטרות הפרק:
הבנת העקרונות מאחורי שרותי שכבת הרשת:
- ניתוב (בחירת נתיב)
- טיפול בקנה מידה
מופעים ומימוש באינטרנט
רשתות תקשורת מחשבים 2

3. שכבת האינטרנט (פרק 4 בספר)
4.5 אלגוריתמי ניתוב
- מצב הקישור – נתיבים בעלי עלות מינימלית
- וקטור מרחק
- ניתוב היררכי
4.6 פרוטוקולי ניתוב סטנדרטיים באינטרנט
- RIP
- OSPF
- BGP
4.7 שידור וניתוב מבוזר
4.1 מבוא
4.2 רשתות מתגים ו-datagrams וירטואליות
4.3 מה יש בתוך הנתב
4.4 IP: פרוטוקול אינטרנט
- מבנה datagram
- כתובות IPv4
- ICMP
- IPv6
רשתות תקשורת מחשבים 3

4. פונקציונליות של שכבת האינטרנט (רשת)
מעבירות חבילות בין תחנת קצה שולחת למקבלת
פרוטוקולי שכבת האינטרנט הם בכל תחנת קצה ונתב
3 פעולות חשובות:
קביעת נתיב: נתיב בו עוברות חבילות משלוח אל מקבל. אלגוריתמי ניתוב
קידום: העברת חבילות מהקלט של הנתב אל הפלט המתאים. IP
הקמת שיחה: חלק מארכיטקטורות הרשת מחייבות את הנתב להקים שיחה לפני שליחת המידע.
application
transport
network
data link
physical
network
data link
physical
רשתות תקשורת מחשבים 4

5. שכבת האינטרנט (רשת) העברת מקטע משולח אל מקבל
עוטף מקטעים בתוך datagrams בצד השולח
מעביר מקטעים אל שכבת התעבורה בצד המקבל
פרוטוקולי רשת בכל תחנת קצה, נתב
נתב בוחן פתיח בכל ה-IP datagrams אשר עוברים דרכו
application
transport
network
data link
physical
network
data link
physical
רשתות תקשורת מחשבים 5

6. פעולות מפתח בשכבת הרשת קידום: העברת חבילה מהקלט של הנתב אל הפלט המתאים
קידום: העברת חבילה מהקלט של הנתב אל הפלט המתאים
ניתוב: קביעת הנתיב הנבחר בין המקור ליעד
- אלגוריתמי ניתוב
וגם אפשרות להקמת שיחות/ מעגלים
אנלוגיה:
ניתוב: תהליך של תכנון טיול בין הבית ליעד
קידום: תהליך המעבר בתוך מחלף בודד.
רשתות תקשורת מחשבים 6

7. מה בין "ניתוב" לבין "קידום" 1 רשתות תקשורת מחשבים value in arriving2 3
0111
value in arriving
packet’s header
routing algorithm
local forwarding table
header value
output link
0100
0101
1001
רשתות תקשורת מחשבים 7

8. צורות שירות
שתי צורות מופשטות מרכזיות של שירות:
Datagram vs. Virtual Circuit
שאלה: איזו צורת שירות עבור "ערוץ" המעביר חבילות בין שולח למקבל?
תשובה שנייה:
מעגל וירטואלי - כל אחד מ...
משלוח ללא אובדן
משלוח לפי סדר
הבטחת רוחב פס
תשובה אחת:
datagram - "הכי טוב שאני יכול"
שירות אינטרנט קלאסי.
רשתות תקשורת מחשבים 8

9. שירות מעגל וירטואלי הקמת שיחה / מעגל: לפני העברת מידע
"מעגל כמו טלפון"
- היבט של ביצועים
- פעולות של הרשת לאורך הנתיב מקור-אל-יעד
הקמת שיחה / מעגל: לפני העברת מידע
- הקמת נתיב למעגל נבחר על ידי מנגנון הניתוב
- כאשר השיחה/חיבור מסתיים, פירוק המעגל
משאבי קישור, נתב (רוחב פס, באפרים) מוקצים למעגל הוירטואלי
- לביצועים כמו במעגל, הבטחת רוחב פס/ עיכוב
כל נתב על הנתיב מקור-אל-יעד מחזיק "מצב" לכל חיבור שעובר דרכו
- חיבור בשכבת התעבורה מעורב רק בשתי תחנות הקצה
חבילות נושאות מספר מעגל וירטואלי (לא את זהות היעד)
רשתות תקשורת מחשבים 9

10. מעגלים וירטואליים: מימוש
משמש להקמה, תחזוקה ופירוק של מעגלים וירטואליים
- פירוק יכול להיות יזום מכל צד – בכל נתב לאורך המעגל הוירטואלי
- תרגיל: תכננו פרוקטוקול מעגל וירטואלי פשוט.
משמש ב-ATM, SNA, X.25
גם בשרותי "פרימיום" באינטרנט
application
transport
network
data link
physical
application
transport
network
data link
physical
5. Data flow begins
6. Receive data
4. Call connected
3. Accept call
1. Initiate call
2. incoming call
רשתות תקשורת מחשבים 10

11. מעגלים וירטואליים: פרוטוקולים מסמנים
מעגל וירטואלי מורכב מ:
נתיב בין מקור ליעד
מספרי מעגל וירטואלי – מספר אחד לכל קישור לאורך הנתיב
רשומות בטבלאות קידום בנתבים לאורך הנתיב
חבילה השייכת למעגל וירטואלי נושאת מספר מעגל וירטואלי
המספר משתנה בכל קישור
- מספר מעגל וירטואלי חדש מגיע מטבלת הקידום
(נקבעים על ידי תהליך הקמת החיבור)
- או מספרי מעגל וירטואלי גלובליים (פחות יעיל)
רשתות תקשורת מחשבים 11

12. טבלת קידום Forwarding table in northwest router:12 22 32 1 2 3
VC number
interface
number
Forwarding table in
northwest router:
Incoming interface Incoming VC # Outgoing interface Outgoing VC #
… … … …
Routers maintain connection state information!
רשתות תקשורת מחשבים 12

13. רשתות datagrams: מודל האינטרנט
אין הקמת שיחה בשכבת הרשת
נתבים: אין שמירת מצב לגבי חיבורים מקצה-אל-קצה
- אין מושג של "חיבור" ברמת הרשת
קידום חבילות באמצעות שימוש בכתובת היעד
- חבילות על אותו חיבור יכולות להשתמש בנתיבים שונים
application
transport
network
data link
physical
application
transport
network
data link
physical
1. Send data
2. Receive data
רשתות תקשורת מחשבים 13

14. Datagram או מעגל וירטואלי: למה?
החלפת מידע בין מחשבים
- שרות "גמיש", לא נדרשות מגבלות קשיחות
תחנות קצה "חכמות" (מחשבים)
- יכולות להתאים את עצמן, לבצע בקרה, תיקון שגיאות
- פשוטים בתוך רשת, הסיבוך הוא בקצוות
שרותי קישור רבים
- מאפיינים שונים, מקשה על שרות אחיד
ATM (מעגל וירטואלי)
התפתח מטלפוניה
דיון אנושי:
- מגבלות קשוחות, דרישות אמינות
- צורך בשרות מובטח
מערכות קצה "טפשות"
- טלפונים
- סיבוך בתוך הרשת
רשתות תקשורת מחשבים 14

15. שכבת האינטרנט (רשת) פעולות שכבת הרשת של תחנת קצה, נתב Internet layer
Transport layer: TCP, UDP
IP protocol
addressing conventions
datagram format
packet handling conventions
Routing protocols
path selection
RIP, OSPF, BGP
Internet
layer
forwarding
table
ICMP protocol
error reporting
router “signaling”
Link layer
physical layer
רשתות תקשורת מחשבים 15

16. כתובות IP כתובת IP: מזהה בן 32 ביטים לתחנת הקצה, בממשק הנתב.
ממשק: קשר בין תחנת קצה/נתב לקו הפיזי
- נתבים הם בדרך כלל בעלי מספק ממשקים
- גם תחנת קצה יכולה להיות בעלת מספר ממשקים
- כתובות IP משוייכות לכל ממשק =
223 1 1 1
רשתות תקשורת מחשבים 16

17. כתובות IP - המשך כתובת IP: - חלק הרשת (subnet – הביטים הראשונים)
- חלק תחנת הקצה (ביטים אחרונים)
מה זה subnet?
- ממשקים ליחידות עם חלק רשת זהה בכתובת ה-IP
- יכולים לגשת פיזית זה אל זה מבלי לערב את הנתב
Subnet
internet consisting of 3 IP subnets
(for IP addresses starting with 223,
first 24 bits are network address)
רשתות תקשורת מחשבים 17

18. קידום IP – דוגמה פשוטה טבלת קידום ב-A
misc
fields
טבלת קידום ב-A
data
Dest. Net. next router Nhops
התחל ב-A, שלח IP Datagram ממוען ל-B
חפש כתובת רשת של B בטבלת קידום
גלה כי B באותה subnet כמו A
- שכבת הקישור יכולה לנתב אל B
חפש כתובת שכבת קישור של B
- שכבת הקישור מעבירה Datagram ישירות ל-B, בתוך מסגרת שכבת הקישור A B E
רשתות תקשורת מחשבים 18

19. קידום IP – דוגמה נוספת טבלת קידום ב-A
misc
fields
טבלת קידום ב-A
data
Dest. Net. next router Nhops
מגיעה ל ממוענת אל
חפש כתובת רשת של E בטבלת קידום של נתב
גלה כי E ב-subnet של
- נתב ו-E מקושרים ישירות
שכבת הקישור שולחת datagram לנתב בתוך מסגרת שכבת הקישור דרך ממשק
ה-datagram מגיעה ל ! A B E
רשתות תקשורת מחשבים 19

20. קידום IP – העברת datagram ממקור ליעד
misc
fields
טבלת קידום ב-A
data
Dest. Net. next router Nhops
התחל ב-A, שלח IP Datagram ממוען ל-E
חפש כתובת רשת של E בטבלת קידום
גלה כי B ב-subnet שונה מ-A
- A ו-E לא מקושרים ישירות
טבלת ניתוב: הקפיצה הבאה לנתב ל-E היא:
שכבת הקישור שולחת datagram לנתב בתוך מסגרת שכבת הקישור
ה-datagram מגיעה ל A B E
רשתות תקשורת מחשבים 20

21. כתובות IP - רשת לעומת חלק של תחנת קצה
כתובות מבוססות מחלקה:
סכמת הכתובות הראשונית של IP מאפשרת תת-רשתות ב-3 גדלים:
class to A
network
host B to 10
network
host to C
110
network
host to D
1110
multicast address
32 bits
רשתות תקשורת מחשבים 21

22. ניצול מרחב הכתובות IPv4 32 ביטים -> עד 232<1010
כתובות מבוססות מחלקה הן בזבוז:
- רשת מחלקה B: 65K כתובות גם אם יש רק 2K תחנות קצה
פתרונות...
CIDR – Classes InterDomain Routing
- חלוקה שרירותית של כתובת IP לחקלי רשת ותחנת קצה (פחות בזבוז)
- מבנה הכתובות: a.b.c.d/x, כאשר x הוא מספר הביטים בחלק של הרשת של הכתובת
- כתובות היררכיות...
רשתות תקשורת מחשבים 22

23. כתובות IP: CIDR CIDR – Classes InterDomain Routing
- מבנה הכתובות: a.b.c.d/x, כאשר x הוא מספר הביטים בחלק של הרשת של הכתובת
- כתובות היררכיות: מאפשרות קיבוץ נתיבים של תת-רשתות עם פתיח זהה
subnet
part
host
/23
רשתות תקשורת מחשבים 23

24. הקצאת כתובות היררכית: קיבוץ נתיבים
הקצאת כתובות היררכית מאפשרת פרסום יעיל של מידע הנוגע לניתוב:
Organization 0
/23
Organization 1
/23
“Send me anything
with addresses
beginning
/20”
Organization 2
/23 .
Fly-By-Night-ISP .
Internet
Organization 7
/23
“Send me anything
with addresses
beginning
/16”
ISPs-R-Us
רשתות תקשורת מחשבים 24

25. הקצאת כתובות היררכית: נתיבים ספציפיים יותר
ISPs-R-Us הוא בעל כתובת ספציפית יותר עבור ארגון מס' 1
Organization 0
/23
“Send me anything
with addresses
beginning
/20”
Organization 2
/23 .
Fly-By-Night-ISP .
Internet
Organization 7
/23
“Send me anything
with addresses
beginning /16
or /23”
ISPs-R-Us
Organization 1
/23
רשתות תקשורת מחשבים 25

26. הקצאת כתובות היררכיות שאלה: איך תחנת קצה מקבלת כתובת IP?
מקודד על ידי מנהל המערכת... או...
DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol -
מקבל כתובת באופן דינמי משרת DHCP.
- ניהול יותר פשוט, ניידות
- לחסכון בכתובות IP: נשתמש רק בכמה שצריך
שאלה: איך תת-רשת מקבלת כתובת IP?
כתובות היררכיות: ISP מקצה חלק ממרחב הכתובות שלו
מאפשר קיבוץ נתיבים: שלח לי חבילות אשר מתחילות ב /20
שאלה: איך ISP מקבל בלוק של כתובות?
ICANN: Internet Corp. for Assigned Names & Numbers
- מקצה כתובות, מנהל DNS, מקצה שמות דומיין
- או מ-ISP ברמה גבוהה יותר
רשתות תקשורת מחשבים 26

27. ניצול מרחב הכתובות IPv4 - המשך
32 ביטים -> עד 232<1010
כתובות מבוססות מחלקה הן בזבוז:
- רשת מחלקה B: 65K כתובות גם אם יש רק 2K תחנות קצה
פתרונות...
CIDR – Classes InterDomain Routing
- חלוקה שרירותית של כתובת IP לחקלי רשת ותחנת קצה (פחות בזבוז)
DHCP – הקצאת כתובות רק כאשר מחוברים
שתיהן עוזרות, אבל – לא מספיק...
פתרונות נוספים:
- Network Address/Port Translation (NAT or NAPT)
- מעבר ל-IPv6 (כתובת IP בת 128 ביטים)
- שיפורים נוספים: QOS, אבטחה.
רשתות תקשורת מחשבים 27

28. NAT: Network Address/Port Translation
שאר האינטרנט
רשת מקומית
(לדגומה רשת ביתית)
10.0.0/24
כל ה-datagrams אל/מ- רשת מקומית בעלות NAT IP זהה: אבל מספרי פורטים שונים של מקור, או כתובת IP מקור מטווח קטן
Datagramsעם מקור או יעד בתוך הרשת הם בעלי כתובת /24 עבור מקור, יעד (כרגיל)
רשתות תקשורת מחשבים 28

29. ניצול מרחב הכתובות IPv4 - המשך
- לא צריך טווח כתובות מה-ISP: כתובת IP אחת משמשת את כל תחנות הקצה
- יש אפשרות לשנות כתובות של תחנות בתוך הרשת המקומית בלי להודיע לעולם החיצון
- אפשר להחליף ISP בלי לשנות כתובות של תחנות ברשת המקומית
- תחנות ברשת המקומית לא ניתנות לאיתור במפורש, או ניתנו לזיהוי על ידי העולם החיצון (עוזר לאבטחה)
- לעיתים קרובות NAT משתמש במספרי פורטים בני 16 ביטים -> 60,000 חיבורים במקביל על כתובת אחת מצד ה-LAN.
רשתות תקשורת מחשבים 29

30. WAN side addr LAN side addr
NAT: Network Address/Port Translation
NAT translation table
WAN side addr LAN side addr
1: host
sends datagram to
, 80
2: NAT router
changes datagram
source addr from
, 3345 to
, 5001,
updates table
, , 3345
…… ……
S: , 3345
D: , 80 1
S: , 80
D: , 3345 4
S: , 5001
D: , 80 2
S: , 80
D: , 5001 3
4: NAT router
changes datagram
dest addr from
, 5001 to , 3345
3: Reply arrives
dest. address:
, 5001
רשתות תקשורת מחשבים 30

31. 32 bit destination IP address
מבנה IP Datagram
ver
length
32 bits
data
(variable length,
typically a TCP
or UDP segment)
16-bit identifier
Internet
checksum
time to
live
32 bit source IP address
IP protocol version
number
header length
(bytes)
max number
remaining hops
(decremented at
each router)
for
fragmentation/
reassembly
total datagram
length (bytes)
upper layer protocol
to deliver payload to
head.
len
type of
service
“type” of data – for Quality of Service
flgs
fragment
offset
Next protocol
32 bit destination IP address
Options (if any)
E.g. timestamp,
record route
taken, specify
list of routers
to visit.
how much overhead with TCP?
20 bytes of TCP
20 bytes of IP
= 40 bytes + app layer overhead
רשתות תקשורת מחשבים 31

32. פירוק לחלקים והרכבה מחדש של IP
קישורי רשת הם בעלי MTU (max transfer unit size) – מסגרת גדולה ביותר ברמת הקישור
- קישורים שונים – MTU שונה
IP Datagram גדולה מחולקת ("פירוק") בתוך הרשת
- Datagram אחת הופכת למספר Datagrams
- "מורכבת מחדש" רק ביעד הסופי
- עושה שימוש בפתיח ה-IP כדי לזהות, ולסדר חלקים (הרכבה מחדש)
fragmentation:
in: one large datagram
out: 3 smaller datagrams
reassembly
רשתות תקשורת מחשבים 32

33. פירוק לחלקים והרכבה מחדש של IP
דוגמה:
Datagram בגודל בייטים (כולל פתיח בגודל בייטים)
MTU = 1500 בייטים
3 חלקים: 1500, 1500, (בייטים)
40 בייטים ל-2 פתיחים נוספים
תרגיל" מה יקרה אם נשלח על קישור בעל MTU = בייטים? ID =x
offset =0
fragflag
length
=4000 =1
=1500
=1480
=2960
=1040
One large datagram becomes
several smaller datagrams
רשתות תקשורת מחשבים 33

34. IPv6 מוטיבציה ראשונית: כתובות בעלות 32 ביטים יקוצו במלואן בקרוב.
מוטיבציה נוספת:
- מבנה פתיח עוזר לעיבוד/קידום מהיר
- שינויי פתיח לשמש QoS
פורמט Datagrams IPv6:
- פתיח קבוע בגודל 40 בייטים (אפשרויות לא כלולות בפתיח)
(מנגנון 'הרחבות' תומך (גם ב-) אפשרויות
- אין אפשרות לפירוק
רשתות תקשורת מחשבים 34

35. פתיח IPv6 - המשך עדיפות: זהה עדיפות בין Datagrams בזרם
תגית זרימה: זהה Datagrams באותו "זרם" (שניהם משמשים ל-QOS לא במסגרת קורס זה)
פתיח הבא: זהה פרוטוקול של שכבה גבוהה יותר למידע
רשתות תקשורת מחשבים 35

36. שינויים נוספים מ-IPv4
מוטיבציה ראשונית: כתובות בעלות 32 ביטים יקוצו במלואן בקרוב.
מוטיבציה נוספת:
- מבנה פתיח עוזר לעיבוד/קידום מהיר
- שינויי פתיח לשמש QoS
פורמט Datagrams IPv6:
- פתיח קבוע בגודל 40 בייטים (אפשרויות לא כלולות בפתיח)
(מנגנון 'הרחבות' תומך (גם ב-) אפשרויות
- אין אפשרות לפירוק
רשתות תקשורת מחשבים 36

37. שינויים נוספים מ-IPv4
Checksum: הוסר לחלוטין כדי להקטין זמן עיבוד בכל קפיצה
Extensions: IPv6 מאפשר ל-'פתיח הבא' להיות הרחבה שרירותית, לטובת גמישות
Options: בהרחבות, לא פתיח
- שתי הרחבות סטנדרטיות לאופציות:
Hop By Hop Options
Destination Options (גם עבור 'נתבים מיוחדים')
רשתות תקשורת מחשבים 37

38. מעבר מ-IPv4 ל-IPv6 לא ניתן לשדרג כל נתב בו-זמנית - אין "ימי סימון"
Tunneling: IPv6 אשר נישא כמטען ייעודי ב-IPv4 datagram לאורך נתבי IPv4
רשתות תקשורת מחשבים 38

39. Tunneling: A B E F Logical view: Physical view: A B E F
IPv6
tunnel
Logical view:
Physical view: A B E F
IPv6
IPv4
רשתות תקשורת מחשבים 39

40. Tunneling: A B E F Logical view: A B C D E F Physical view: Src:B
IPv6
IPv6
IPv6
IPv6 A B C D E F
Physical view:
IPv6
IPv6
IPv4
IPv4
IPv6
IPv6
Flow: X
Src: A
Dest: F
data
Flow: X
Src: A
Dest: F
data
Src:B
Dest: E
Flow: X
Src: A
Dest: F
data
Src:B
Dest: E
Flow: X
Src: A
Dest: F
data
A-to-B:
IPv6
E-to-F:
IPv6
B-to-C:
IPv6 inside
IPv4
B-to-C:
IPv6 inside
IPv4
רשתות תקשורת מחשבים 40

41. ניתוב מטרה: לקבוע נתיב "טוב" (רצף של נתבים דרך הרשת) מהמקור ועד ליעד
פרוטוקול ניתוב 5
מטרה: לקבוע נתיב "טוב" (רצף של נתבים דרך הרשת) מהמקור ועד ליעד 3 B C 2 5 A 2 1 F 3 1 2 D E 1
המחשה גרפית לאלגוריתמי ניתוב:
קודקודי הגרף הם הנתבים
צלעות הגרף הן ערוצים
- באינטרנט: רשת
- עלות קישור: עיכוב, עלות כספית, רמת עומס, אמינות (מדיד!)
נתיב "טוב":
- בדרך כלל מתכוונים לנתיב בעל העלות הנמוכה ביותר
- עלות לא תמיד מתבצעת לפי חיבור מתמטי
- ישנן אפשרויות נוספות להגדרת עלות
רשתות תקשורת מחשבים 41

42. סווג אלגוריתמי ניתוב סטטי או דינמי? גלובלי, או מידע מבוזר, החלטות?
סטטי:
לא מטפל בשינויים / כשלים
באופן לא מפורש: אתחל במקרה של שינוי
דינמי:
שנה נתיבים (עקב שינויים בטופולוגיה)
- אחת לפרק זמן מסויים
- בתגובה לשינוי בעלות/ טופולוגיה / כשלים / התאוששות
גלובלי, או מידע מבוזר, החלטות?
גלובלי:
כל הנתבים בעלי טופולוגיה מלאה, מידע לגבי עלויות קישורים
אלגוריתמי "מצב קישור"
מבוזרים:
נתב מכיר שכנים מחוברים פיזית, עלויות קישורים לשכנים
תהליך איטרטיבי של חישוב, החלפת מידע עם שכנים
אלגוריתמי "וקטור מרחק"
רשתות תקשורת מחשבים 42

43. ניתוב לפי מצב קישור: אלג' נתיב קצר ביותר
ניתוב סטטי, גלובלי,לפי מצב קישור מקור:
מצב הקישור קבוע: c(i,j) עלות מ-i ל-j (אינסופית אם אין קישור)
- מוערך על ידי כל נתב לקישורים המחוברים אליו
- ידוע לכל מקור (A) דרך "שידור מצב קישורים"
ניתוב מקור: מציאת נתיב מכל מקור A לכל שאר הקודקודים
בעיית נתיב קצר ביותר ממקור יחיד:
בהנתן גרף G=(V,E), קודקוד מקור A שייך ל-V
מצא נתיב קצר ביותר T מוכל בגרף ל-A, עבור כל קודקוד ב-V:
- DA(V) עלות הנתיב המינימלי בין מקור A ל-v. נפשט ונכתוב D(v)
- כל המסלולים ב-T הם הקצרים ביותר: D(v)=∑(u,w)path(A,v)c(u,w)
- לא עץ פורש מינימלי (מדוע?)
- לא עץ זהה עבור כל המקורות (מדוע?)
רשתות תקשורת מחשבים 43

44. האלגוריתם של דיקסטרא בונה עץ פורש מינימלי T אחרי k איטרציות, T מכיל k קשתות ו-k+1 קודקודים
Given graph G=(V,E), source node AV, and link cost function c(x,y)0
let T ={ A }
Let D(x)={0 if x=A, ∞ otherwise)
while (T does not contain all nodes) {
find edge (x,y)E
with x in T and y not in T
minimizing D(x)+c(x,y)
add (x,y) to T
D(y)=D(x)+c(x,y) }
Output T, D
This usually holds… Why needed?
Alg for negative costs?
רשתות תקשורת מחשבים 44

45. האלגוריתם של דיקסטרא: דוגמה
Step 1 2 3 4 5
Nodes A AD
ADE
ADEB
ADEBC
ADEBCF
D(B) 2
D(C) 5 4 3
D(D) 1
D(E)
infinity 2
D(F)
infinity 4 5 3 B C 2 5 A 2 1 F 3 1 2 D E 1
רשתות תקשורת מחשבים 45

46. האלגוריתם של דיקסטרא, דיון
סיבוכיות האלגוריתם: n קודקודים, עלות קישורים קבועה
כל איטרציה: צריך לבדוק את כל הקודקודים, w, שאינם ב-T
n(n+1)/2 השוואות: O(n2)
מימוש חסכוני יותר (ערימה): O(nlogn)
עלויות דינמיות (לדוגמה: c(i,j)=|traffic(i,j)|) עלולות לטלטל:
B,C,D שולחים ל-A (1,e,1 יחידות), כל אחד משתמש בדיקסטרא
מצב הגיוני התחלתי: D->A, C->B->A
מטלטל בין: B->C->D->A, D->C->B->A A A A 1 A
1+e
2+e
2+e
2+e D B D B D B D B
1+e 1
1+e 1 e 1 C
1+e e C C C 1 1 e
… recompute
routing
… recompute
… recompute
initially
רשתות תקשורת מחשבים 46

47. אלגוריתם ניתוב "וקטור מרחקים"
מבנה נתונים של טבלת מרחקים:
לכל קודקוד טבלה משלו
שורה עבור כל יעד אפשרי
טור עבור כל שכן
דוגמה: בקודקוד X, עבור יעד Y, דרך שכן Z:
איטרטיבי, דינמי:
ממשיך עד שאין קודקודים שמחליפים מידע
"עוצר לבד": אין סימן לעצירה
מתחיל מחדש עם שינוי
א-סינכרוני:
קודקודים לא צריכים להחליף מידע/ לבצע איטרציות במצב נעול מבוזר:
כל קודקוד מתקשר רק עם שכנים המחוברים ישירות אליו
D (Y,Z) X
distance from X to
Y, via Z as next hop
c(X,Z) + min {D (Y,w)} Z w =
רשתות תקשורת מחשבים 47

48. טבלת מרחקים: דוגמה D () A B C D 1 7 6 4 14 8 9 11 5 2 D (C,D) D (A,D)E
cost to destination via
destination 1 B C 7 A 8 2 1 E D 2
D (C,D) E
c(E,D) + min {D (C,w)} D w =
2+2 = 4
D (A,D) E
c(E,D) + min {D (A,w)} D w =
2+3 = 5
loop!
D (A,B) E
c(E,B) + min {D (A,w)} B w =
8+6 = 14
loop!
רשתות תקשורת מחשבים 48

49. טבלת מרחקים מספקת טבלת ניתוב
D () A B C D 1 7 6 4 14 8 9 11 5 2 E
cost to destination via
destination
Outgoing link
to use, cost A B C D
A,1
D,5
D,4
destination
Distance table
Routing table
רשתות תקשורת מחשבים 49

50. ניתוב וקטור מרחקים: סקירה
איטרטיבי, א-סינכרוני: כל איטרציה מקומית נגרמת על ידי:
עלות קישור מקומי משתנה
הודעה משכן: הנתיב בעל העלות הנמוכה ביותר משכן
מבוזר:
כל קודקוד מודיע לשכנים רק כאשר הנתיב בעל העלותל הנמוכה ביותר שלו ליעד כלשהוא משתנה
- שכנים מודיעים אז לשכנים שלהם במידת הצורך
כל קודקוד:
wait for (change in local link cost or msg from neighbor)
recompute distance table
if least cost path to any dest has changed, notify neighbors
רשתות תקשורת מחשבים 50

51. אלגוריתם וקטור מרחקים בקודקוד x:
Initialization:
for all nodes y and all neighbors v:
DX(y,v) = {c(x,v) for y=v, else ∞}
On Detect_cost_of_link to neighbor v (i.e. c(x,v)) changes by d
/* change cost to all dest's via neighbor v by d */
/* note: d could be positive or negative */
for all destinations y: DX(y,v) = DX(y,v) + d
On Rcv <y, D> from neighbor v:
/* shortest path from v to some y has changed */
/* v sent a new value for its minWDV(y,w) */
DX(y,v) = c(x,v) + D
Every T seconds (or always, if T=0):
If DX(y)=minWDX(y,w) changed (for any destination y),
then send <y, DX(y)> to all neighbors
רשתות תקשורת מחשבים 51

52. אלגוריתם וקטור מרחקים: דוגמהX Z 1 2 7 Y
D (Y,Z) X
c(X,Z) + min {D (Y,w)} w =
7+1 = 8 Z
D (Z,Y) X
c(X,Y) + min {D (Z,w)} w =
2+1 = 3 Y
רשתות תקשורת מחשבים 52

53. אלגוריתם וקטור מרחקים: דוגמהX Z 1 2 7 Y
רשתות תקשורת מחשבים 53

54. וקטור מרחקים: שינוי בעלות קישור
שינוי בעלות של קישור:
קודקוד מזהה שינוי בעלות של קישור מקומי
מעדכן טבלת מרחקים
אם השינוי במסלול בעל העלות המינימליות, תודיע לשכנים
דוגמה: כאשר המסלול מ-X ל-Y השתנה: 1 Y 4 1 X Z 50
האלגוריתם עוצר כאשר אין פעילות
חדשות טובות מופצות מהר (ובלי לולאות...)
רשתות תקשורת מחשבים 54

55. וקטור מרחקים: התלכדות
If network stabilizes, then DV eventually outputs shortest paths (and halts)
Assuming FIFO, max delay Δ, min weight w [why?]
Consider single, fixed target node y; DY(y)=0
Let x(0)=y, x(0), x(1),…x(n) be the nodes by order of min-distance from y
Claim: for all i (0≤i≤n), eventually Dx(i)(y)=D(i), the min- distance from x(i) to y.
Proof: by induction on i. Trivially holds for i=0 (i.e. x(0)=y).
Assume from time t, there are no new `detect cost change` events, and x(0)…x(i) stabilized to D(i).
We prove the claim holds for i+1 as well.
For every j>i, eventually Dx(j)(y)D(i+1) [why?]
Then, eventually x(i+1) receives D(j) from x(j), s.t. j≤i and D(i)=D(j)+c(x(j),x(i))…
Claim follows! 
But… convergence can be veeery sloooooooow…
רשתות תקשורת מחשבים 55

56. התלכדות איטית: "ספירה לאינסוף"
שינוי בעלות של קישור:
חדשות רעות מופצות באיטיות!
- חדשות רעות: עלות עלתה (לדוגמה קישור נפל)
זמן התלכדות: תלוי ביחסים בין העלויות, לא רק ב-n 60 Y 4 1 X Z 50
אלגוריתם ממשיך וממשיך...
חבילות הנשלחות מ-Z,Y ל-X יבצעו לולאה בין Z,Y!!!
רשתות תקשורת מחשבים 56

57. וקטור מרחקים: poisoned reverse
אם Z מנתב ל-X דרך Y:
Z מספר ל-Y שמרחקו מ-X אינסופי (כדי ש-Y לא ינתב ל-X דרך Z)
עוזר לרוב – אבל הסיבוכיות עדיין תלויה ביחס בין העלויות, לא רק n.
תרגיל: הדגימו! 60 Y 4 1 X Z 50
אלגוריתם עוצר
רשתות תקשורת מחשבים 57

58. ניתוב היררכי המחקר שלנו לגבי ניתוב עד כה – אידאליזציה כל הנתבים זהים
המחקר שלנו לגבי ניתוב עד כה – אידאליזציה
כל הנתבים זהים
הרשת "שטוחה"
לא באמת נכון...
אוטונומיה ניהולית:
אינטרנט = רשת של רשתות
כל מנהל רשת יכול לרצות לנהל את הניתוב בתוך הרשת שלו
קנה מידה: עם 200 מליון יעדים:
אי אפשר לציין את כל היעדים בטבלאות ניתוב
החלפת מידע בין טבלאות ניתוב תציף את הקישורים!
רשתות תקשורת מחשבים 58

59. ניתוב היררכי נתבי שער-גישה: נתבים מיוחדים ב-AS
מריצים פרוטוקול Intra-AS יחד עם כל שאר הנתבים ב-AS
בנוסף אחראים על טבלאות ניתוב מחוץ ל-AS
- מריצים פרוטוקול inter-AS עם נתבי שער גישה אחרים
נתבים מאוגדים לאזורים, "מערכות אוטונומיות" (AS – Autonomous systems)
נתבים באותו AS מריצים את אותו פרוטוקול ניתוב
- פרוטוקול ניתוב “intra-AS”
- נתבים ב-AS שונים יכולים להריץ פרוטוקולי Intra-AS שונים
רשתות תקשורת מחשבים 59

60. ניתוב בשתי רמות באינטרנט
האינטרנט הגלובלי מורכב מ-AS מחוברים ביניהם:
- Stub AS - ארגון קטן: חיבור אחד ל-AS אחרים.
- Multihomed AS – ארגון גדול: חיבורים מרובים ל-AS אחרים.
- Transit AS – ספק, מחבר הרבה AS יחד.
ניתוב בשתי רמות:
- inter-AS – סטנדרט ייחודי לניתוב בין AS – BGP
- intra-AS – מנהל אחראי לבחירת אלגוריתם הניתוב בתוך הרשת (יכול להיות ניתוב intra AS היררכי – עבור AS ענק)
רשתות תקשורת מחשבים 60

61. היררכית AS באינטרנט Inter-AS border (exterior gateway) routers
Intra-AS interior (gateway) routers
רשתות תקשורת מחשבים 61

62. ניתוב Intra-AS לעומת ניתוב inter-AS
C.b
Gateways:
perform inter-AS routing amongst themselves
perform intra-AS routing with other routers in their AS
B.a
A.a b
A.c c a a C b a B d c A b
network layer
inter-AS, intra-AS routing in
gateway A.c
link layer
physical layer
רשתות תקשורת מחשבים 62

63. ניתוב Intra-AS וניתוב inter-AS
routing
between
A and B a b C A B d c
A.a
A.c
C.b
B.a
Host h2
Host h1
Intra-AS routing
within AS B
Intra-AS routing
within AS A
מיד נבחן פרוטוקולי ניתוב ספציפיים של inter-AS ו-intra-AS...
רשתות תקשורת מחשבים 63

64. ניתוב Intra-AS Also known as Interior Gateway Protocols (IGP)
Most common Intra-AS routing protocols:
RIP: Routing Information Protocol
OSPF: Open Shortest Path First
IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (Cisco proprietary)
Not covered
OSPF, IGRP support hierarchical routing
RIP is simpler, for smaller networks
רשתות תקשורת מחשבים 64

65. RIP ( Routing Information Protocol)
Distance vector algorithm
Included in BSD-UNIX Distribution in 1982
Now only version 2 in use
Distance metric: # of hops (≤15hops; =unreachable)
Distance vectors: exchanged among neighbors every 30 sec via RIP reply packet (called advertisement)
Each advertisement: list of up to destination nets within AS
Sent using UDP (why?)
Or: 24 destinations + authentication tag
רשתות תקשורת מחשבים 65

66. RIP: דוגמה z w x y A D B C y B 2 z B 7 x -- 1
Destination Network Next Router Num. of hops to dest.
w A 2
y B 2
z B 7 x
…. …
טבלת ניתוב ב-D
רשתות תקשורת מחשבים 66

67. RIP: דוגמה z w x y A D B C y B 2 z B A 7 5 x -- 1 Advertisement
Dest Next hops w x
z C 4
…. …
Advertisement
from A to D z w x y A D B C
Destination Network Next Router Num. of hops to dest.
w A 2
y B 2
z B A 7 5 x
…. …
טבלת ניתוב ב-D
רשתות תקשורת מחשבים 67

68. RIP – כשל בקישור והתאוששות
If no advertisement heard after 180 sec > neighbor/link declared dead
routes via neighbor invalidated
new advertisements sent to neighbors
neighbors in turn send out new advertisements (if tables changed)
link failure info quickly propagates to entire net
poison reverse used to prevent ping-pong loops
Send infinite distance (= 16 hops) to first hop toward destination
Exercises: pseudo-code, convergence for RIP
רשתות תקשורת מחשבים 68

69. OSPF (Open Shortest Path First)
“open”: publicly available
Uses Link State algorithm
LS packet dissemination
Topology map at each node
Route computation using Dijkstra’s algorithm
OSPF advertisement carries one entry per
neighbor router
Advertisements disseminated to entire AS (flooding)
Carried in OSPF messages directly over IP
רשתות תקשורת מחשבים 69

70. OSPF – אפשרויות מתקדמות (לא ב-RIP)
Security: all OSPF messages authenticated (to prevent malicious intrusion)  more later…
Multiple same-cost paths allowed (only one path in RIP)
For each link, multiple cost metrics for different Type Of Service [TOS] (e.g., satellite link cost set “low” for best effort; high for real time)
Integrated uni- and multicast support:
Multicast OSPF (MOSPF) uses same topology data base as OSPF
Hierarchical OSPF for large domains.
רשתות תקשורת מחשבים 70

71. ניתוב inter-AS באינטרנט: BGP(
OSPF
intra - AS
AS1
AS2
routing)
(RIP intra - AS (
OSPF
BGP
routing)
intra - AS
routing) R1 R2
רשתות תקשורת מחשבים 71

72. ניתוב inter-AS באינטרנט - BGP
BGP (Border Gateway Protocol): the de facto standard
Path Vector protocol:
similar to Distance Vector protocol
each Border Gateway broadcast to neighbors (peers) entire path (i.e., sequence of AS’s) to destination
BGP routes to networks (ASs), not individual hosts
E.g., Gateway X may send its path to dest. Z:
Path (X,Z) = X,Y1,Y2,Y3,…,Z
רשתות תקשורת מחשבים 72

73. ניתוב inter-AS באינטרנט - BGP
Suppose: gateway X send its path to peer gateway W
W may or may not select path offered by X
cost, policy (don’t route via competitors AS), loop prevention reasons.
If W selects path advertised by X, then:
Path (W,Z) = w, Path (X,Z)
Note: X can control incoming traffic by controlling its route advertisements to peers:
e.g., don’t want to route traffic to Z -> don’t advertise any routes to Z
רשתות תקשורת מחשבים 73

74. BGP: שליטה במי מנתב עבורך
a simple BGP scenario A B C W X Y
legend:
customer
network:
provider
network
A,B,C are provider networks
X,W,Y are customer (of provider networks)
X is dual-homed: attached to two networks
X does not want to route from B via X to C
.. so X will not advertise to B a route to C
רשתות תקשורת מחשבים 74

75. BGP: שליטה במי מנתב עבורך
a simple BGP scenario A B C W X Y
legend:
customer
network:
provider
network
A advertises to B the path AW
B advertises to X the path BAW
Should B advertise to C the path BAW?
No way! B gets no “revenue” for routing CBAW since neither W nor C are B’s customers
B wants to force C to route to w via A
B wants to route only to/from its customers!
רשתות תקשורת מחשבים 75

76. פעולת BGP Q: What does a BGP router do?
Receiving and filtering route advertisements from directly attached neighbor(s).
Route selection.
To route to destination X, which path (of several advertised) will be taken?
Policy-based (as above)
Among policy-equivalent routes: use one with fewer ASs; or with closest next-hop router.
Sending route advertisements to neighbors.
BGP messages exchanged using TCP (port 179)
רשתות תקשורת מחשבים 76

77. מדוע יש ניתוב שונה ב-intra-AS וב-inter-AS?
Policy:
Inter-AS: admin wants control over how its traffic routed, who routes through its net.
Intra-AS: single admin, so no policy decisions needed
Scale:
hierarchical routing saves table size, reduced update traffic
But: intra-AS routing protocol can support hierarchy (OSPF)
Performance:
Intra-AS: focus on performance
Inter-AS: policy may dominate over performance
רשתות תקשורת מחשבים 77

78. שכבת הרשת: סיכום החומר עליו עברנו: שרותי שכבת הרשת
עקרונות ניתוב: מצב קישור ווקטור מרחקים
ניתוב היררכי IP
פרוטוקולי ניתוב באינטרנט: RIP, OSPF, BGP
רשתות תקשורת מחשבים 78