1. شبکه هاي کامپيوتري فصل پنجم: لايه شبکه (NetworkLayer)
بخش دوم: مسیریابی سلسله مراتبی، مسیریابی چندپخشی
وحید حقیقت دوست
دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه شاهد

2. مسیریابی سلسله مراتبی
Hierarchical Routing

3. Internet-Map

4. مسیر یابی سلسله مراتبی (1)
مشکلات ابعاد:
با بزرگ شدن انداز ه شبکه، جداول مسیریابی در مسیریابها رشد پیدا میکنند
رشد جداول مسیریابی نه تنها نیازمند حافظه بیشتر برای نگهداری جدول بلکه افزایش زمان جستجو میگردد
از طرف دیگر تبادل جداول مسیریابی پهنای باند زیادی را مصرف خواهد کرد
مشکلات مدیریتی
شبکه اینترنت از شبکه ای از شبکه ها تشکیل شده
مدیر هر شبکه ممکن است بخواهد مسیریابی را در شبکه خودش مدیریت نماید
در مسیریابی سلسله مراتبی بدینصورت عمل میشود که در هر مسیریاب به ازای مجموعه ای از مسیریابها، یک وارده ثبت میشود.

5. مسیر یابی سلسله مراتبی (2)
روترهای دروازه
(gateway routers)
روترها، روی ناحیه ها (regions) با عنوان ناحیه های مستقل (AS) (autonomous systems) با هم توافق میکنند
روترهای واقع شده در هر AS از پروتکل مسیریابی (routing protocol) یکسان استفاده میکنند. (intra-AS routing protocol)
برای ارتباط هر دو ناحیه با یکدیگر، یک روتر بعنوان روتر دروازه (gateway routers) تعیین میشود
یک روتر خاص در AS
پروتکل مسیریابی درون ناحیه ای (intra-AS routing) را با دیگر روترهای داخل AS اجرا میکند و نتایج آنرا به خارج از ناحیه انتقال میدهد
بادیگر روترهای دروازه پروتکل میان ناحیه ای (inter-AS routing) را اجرا میکند

6. Hierarchical Routing

7. Routing in the Internet
اینترنت به چندین سیستم مستقل (AS) تقسیم شده است
برای مثال: Stanford (32), HP (71), Shahed(12880)
با مراجعه به سایت nic.ir و ثبت query در بخش whois بصورت زیر میتوان به اطلاعات مربوط به AS هر IP که مدنظر است دست یافت:
-h whois.cymru.com -v <IP address>
Ex: -h whois.cymru.com -v
داخل یک AS، مدیر شبکه یک پروتکل درون ناحیه ایInterior Gateway Protocol (IGP) (Intra AS) را انتخاب میکند
برای مثال: RIP (rfc 1058), OSPF (rfc 1247).
بین AS ها، در اینترنت از پروتکل بین ناحیه ای Exterior Gateway Protocol (BGP) (Inter AS) استفاده میکند.
AS ها امروز از Border Gateway Protocol، BGP-4 (rfc 1771) استفاده میکنند

8. مثالی از یافتن AS number دانشگاه شاهد
آپ لینک مخابرات
=ns1.shahed.ac.ir
آپ لینک شرکت مبنا
=ns3.shahed.ac.ir

9. مسیریابیIntra-AS و Inter-AS
C.b
B.a
A.a b
A.c c a a b C a B d
دروازه ها:
مهیا سازی مسیریابی درونی بین مسیریابهای داخل AS (Inter-AS Routing)
مهیا سازی مسیریابی بین مسیریابهای دروازه (Intra-AS Routing ) c A b
Intra-AS
Routing Algorithm
Inter-AS
جدول مسیریابی
To/from B.a and A.a
To/from A.b
Inter/intra-AS routing در دروازه A.c
To/from A.d

10. مسیر یابی درون ناحیه ای (Intra-AS) و بین ناحیه ای (Inter-As)
C.b
Inter-AS routing between A and B
B.a
A.a
Host2 b
A.c c a a b B C a d
Intra-AS routing
within AS B c A b
Intra-AS routing
within AS A
Host1

11. جداول هدایت (Forwarding Tables)
جداول هدایت، توسط الگوریتمهای مسیریابی درون ناحیه ای و بین ناحیه ای تولید میشوند
الگوریتم مسیریابی درون ناحیه ای، وارده های مربوط به مقصدهای داخل ناحیه را تعیین میکند
الگوریتم مسیریابی درون ناحیه ای و بین ناحیه ای هر دو وارده های مربوط به مقصدهای خارج از ناحیه را تعیین میکنند

12. Inter-AS Tasks
AS1 باید:
یاد بگیرد که کدام مقصد ها از طریق AS2 و کدام مقصدها از طریق AS3 قابل دسترس هستند
اطلاعات بدست آمده را برای تمامی روترهای موجود در AS1 ارسال نماید
فرض کنید روتری در AS1 یک دیتاگرام را که مقصدش خارج از AS1 است، دریافت کند:
روتر باید این بسته را برای روتر دروازه (gateway router) ارسال نماید ولی کدامیک از روترهای دروازه؟ 3b 2c 3a 2a 2b
AS3 1a
AS2 1d 1c
AS1 1b

13. مثال: تنظیم جدول هدایت در روتر 1d
فرض کنید AS1 با استفاده از پروتکل درون ناحیه ای یادمیگیرد که زیر شبکه x از طریق AS3 (با استفاده از دروازه 1a) در دسترس است و از طریق AS2 به آن دسترسی وجود ندارد
پروتکل بین ناحیه ای اطلاعات مربوط به دسترسی به تمامی روترهای داخلی را انتشار میدهد
روتر 1d از طریق مسیریابی درون ناحیه ای متوجه میشود که از طریق واسط I کم هزینه ترین مسیر را تا 1a دارد.
وارده (x,I) را در جدول خود اضافه میکند. … x 3b 2c 3a 2a 2b
AS3 1a
AS2 1d 1c
AS1 1b

14. مثال: انتخاب از میان چندین AS
حال فرض کنید که AS1 با استفاده از پروتکل درون ناحیه ای یاد میگیرد که زیر شبکه x از طریق AS3 و AS2 در دسترس است
برای تنظیم جداول هدایت، روتر 1d باید تعیین کند که کدام دروازه باید برای هدایت بسته های مربوط به زیر شبکه x انتخاب شود.
این مورد نیز از وظایف پروتکل مسیریابی بین ناحیه ای میباشد.
مسیریابی سیب زمینی داغ (hot potato routing): بسته را به روتری که نزدیکتر است تحویل میدهیم …
….. x 3b 2c 3a 2a 2b
AS3 1a
AS2 1d 1c
AS1 1b

15. hot potato routing ارسال بسته به روتر دروازه ای که نزدیکتر است
Learn from inter-AS
protocol that subnet
x is reachable via
multiple gateways
Use routing info
from intra-AS
protocol to determine
costs of least-cost
paths to each
of the gateways
Hot potato routing:
Choose the gateway
that has the
smallest least cost
Determine from
forwarding table the
interface I that leads
to least-cost gateway.
Enter (x,I) in
forwarding table

16. مسیر یابی در اینترنت (Routing in the Internet) (RC1812): ملزومات مسیریابهای IP.V4
اینترنت جهانی از تعدادی سیستم مستقلAutonomous Systems (AS) که به هم متصل هستند تشکیل شده است:
AS انتهایی یا AS بن بست (Stub AS): مربوط به شرکتهای کوچک است که یک نقطه اتصال به دیگر AS ها دارد
AS چند گانه (Multihomed AS): مربوط به شرکتهای بزرگ (بدون ترانزیت) میباشد که در آن چندین اتصال به دیگر AS ها دارد ولی امکان تبادل پیام بین دیگر AS ها را ندارد
AS انتقال (Transit AS): چندین AS را به هم متصل میکند.

17. تبادل پیامها در مسیریابی سلسله مراتبی (1)
Transit AS
Transit AS
Stub AS
Stub AS
Multihomed AS
Stub AS
provider
customer
IP traffic

18. پشته پروتکلی TCP/IP ftp http smtp telnet snmp tftp rtp dns …
Transmission Control Pr. (TCP)
User Datagram Pr. (UDP)
Control protocols
Routing protocols …
igmp
icmp
rip
ospf
bgp …
Internet Protocol (IP)
arp
rarp
Ethernet, Wireless, token ring, FDDI, ATM, Frame relay, SNA, X25
ICMP: Internet Control Message Protocol, RFC792
IGMP: Internet Group Management Protocol, RFC 2236

19. پروتکلهای درون و بین ناحیه ای
درون ناحیه ای (Intra-AS): مدیر شبکه در انتخاب الگوریتم مسیریابی مختار است
با عنوان Interior Gateway Protocols (IGP) نیز شناخته میشود
چند پروتکل درون ناحیه عبارتند از:
RIP: Routing Information Protocol (RFCs1058,2453)
از روش بردار فاصله (DV:distance vector) استفاده میکند
اطلاعات مسیریابی بین همسایگان در 30 ثانیه تبادل میشود.
OSPF: Open Shortest Path First (RFC2328) (Open Spec.)
از روش حالت پیوند (LS: Link-State) استفاده میکند.
IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (Cisco proprietary)
از ورش حالت پیوند استفاده میکند و مخصوص تجهیزات سیسکو میباشد.
بین ناحیه ای (Inter-AS): استاندارد یکتا برای مسیریابی بین AS ها میباشد.
پروتکل BGP : Border Gateway Protocol (RFC1771)

20. Border Gateway Protocol (BGP-4)
BGP از مسیر یابی بردار مسیر (Path vector) استفاده میکند.
BGP، تمامی مسیرها را تبلیغ (advertise) میکند (یک لیست از AS ها)
مثالی از تبلیغ مسیر بصورت زیر است:
“The network /16 can be reached via the path {AS1, AS5, AS13}”.
مسیرهای با چرخه (loop) بصورت محلی شناسایی شده و نادیده گرفته میشوند
سیاستهای محلی، مسیر بهینه را از بین تمامی مسیرها انتخاب میکند
زمانی که یک لینک قطع شود، کل مسیرهایی که از آن لینک استفاده میکردند، نابود میشود

21. ASPATH Attribute AS 1129 AS 1755 AS 12654 AS 1239 AS 7018 AS 3549
/16
AS Path =
Global Access
AS 1755
/16
AS Path =
/16
AS Path =
Ebone
AS 12654
AS 1239
Sprint
Pick shorter AS path
RIPE NCC
RIS project
/16
AS Path =
AS 7018
/16
AS Path =
/16
AS Path = 6341
AT&T
AS 3549
AS 6341
/16
AS Path =
AT&T Research
Global Crossing
/16
Prefix Originated

22. مسیر یابی چند پخشی

23. سرویسهایی که پروتکل IP ارائه میکند
یک به یک (تک پخشی):one-to-one (unicast)
یک به همه (همه پخشی) :one-to-all (broadcast)
یک به چند (چند پخشی): one-to-several (multicast)
سرویس یک به چند در IP، سرویس چند به چند (many-to-many) را نیز پشتیبانی میکند.

24. تک پخشی(Unicast)
در مسیریابی تک پخشی، روتر بسته های دریافتی را در یک خروجی ارسال میکند

25. چند پخشی (Multicast)
در چند پخشی، روتر ممکن است بسته دریافتی را در بیش از یک خروجی ارسال کند

26. مسیر یابی چند پخشی (Multicast Routing)
برخی از برنامه های کاربردی نیازمند مسیریابی چندپخشی میباشند.
مسائل این حوزه، ساخت درخت، آدرس دهی چندپخشی و نحوه هدایت بسته ها میباشد

27. به چه روشهایی میتوان چند پخشی را انجام داد
چندین تک پخشی ( Multiple unicast)
با استفاده از لایه ارسال یک به یک برای تمامی مقصدها بسته ارسال میشود
چندپخشی در لایه کاربرد (Application-layer multicast)
هر میزبان بسته را دریافت و برای یک یا چند میزبان دیگر نیز ارسال میکند
چند پخشی در لایه شبکه (Network multicast)
این روش در لایه شبکه تعبیه میشود
اطلاعات در روترها تکثیر میشوند
It can be implemented in several ways

28. چندین تک پخشی (Multiple Unicasts)
گره مبدا سه پیام را به 3 مقصد تعیین شده ارسال میکند
هر بسته آدرس مقصد خاص خود را دارد
مبدا

29. چندپخشی در لایه کاربرد (Application-layer multicast)
سیستمهای انتهایی در فرایند چندپخشی مشارکت دارند و یک بسته را بصورت تک پخشی برای گره های دیگر ارسال مینماید
مثالی از این تکنولوژی شبکه های P2P هستند

30. چند پخشی در لایه شبکه (Network multicast)
روترها بصورت فعال در چندپخشی مشارکت دارند و بسته ها را روی چندین اینترفیس خود ارسال میکنند ♪

31. برنامه هایی که به چند پخشی نیاز دارند
یکطرفه، تک فرستنده (one-to-many):
تلویزیون (TV)
یادگیری غیر تعاملی (Non-interactive learning)
به روز رسانی بانک اطلاعاتی (Database update)
انتشار اطلاعات (Information dispersal)
پچها و بروز رسانی های نرم افزار (Software updates/patches)
بیش از دو فرستنده بصورت تعاملی (many-to-many):
کنفرانس تلفنی (Teleconference)
یادگیری تعاملی (Interactive learning)

32. درخت های چندپخشی (Multicast Trees) ایده پایهG
Server G
Server G G G G G G G G
چندین تک ارسال
(Multiple unicasts)
یک چندپخشی
(Single multicast)

33. اتصالات چند پخشی
یک درخت برای اتصال روترها ایجاد میشود. دو روش کلی برای این منظور وجود دارد:
درخت مشترک در گروه (Group-shared tree): در این روش تمامی اعضای گروه از یک درخت مشترک استفاده میکنند.
درخت مبتنی بر گره مبدا (Source-based tree): درختهای مختلفی برای گروه وجود دارد. به ازای هر مبدا یک درخت وجود دارد که مبدا در ریشه درخت است. ♪
Group- Shared tree

34. دسته بندی الگوریتم های مبتنی بر درخت
درخت مشترک در گروه:
minimal spanning (Steiner)
center-based trees
درخت مبتنی بر گره مبدا:
shortest path trees
reverse path forwarding ♪
Source-based trees
♪, ♪: sources

35. Shortest Path TreeSource-Based
درخت هدایت چند پخشی به ازای هر مبدا ایجاد میشود
از الگوریتم دگسترا استفاده میشود R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 2 1 6 3 4 5 i
♪:router with attached
group member
link used for forwarding,
i indicates order link
added by algorithm
Source ♪

36. Reverse Path ForwardingSource-Based
روتر ها براساس دانش بدست آمده از کوتاهترین مسیر مربوط به بسته های تک پخشی استفاده میکنند
هر روتر یک رفتار ساده برای هدایت بسته ها دارد:
اگر بسته چند پخشی از یک مبدا رسید و از همان اینترفیسی که مربوط به کوتاهترین مسیر به آن مبدا است وارد شد
آنگاه بسته را روی تمامی اینترفیسهای مربوط به گروه در خروجی ارسال کن
در غیر اینصورت از دیتاگرام صرفنظر کن

37. مثال Reverse Path Forwarding:
♪:router with attached
group member
datagram will not be
Forwarded
datagram will be forwarded
Source ♪

38. درخت مشترک بهینه: Steiner Tree
درخت پوشای بهینه استخراج و تمامی اعضای گروه از آن استفاده میکنند
یک مساله NP-complete است
اطلاعات کامل از تمام شبکه مورد نیاز است
Notes:
1. In computational complexity theory, the complexity class NP-complete (abbreviated NP-C or NPC, NP standing for Nondeterministic Polynomial time) is a class of problems having two properties:
- Any given solution to the problem can be verified quickly (in polynomial time); the set of problems with this property is called NP.
- If the problem can be solved quickly (in polynomial time), then so can every problem in NP.
2. See L. Wei and D. Estrin, “A Comparison of multicast trees and algorithms,” TR USC-CD , Dept. Computer Science, University of California, Sept 1993 for a comparison of heuristic approaches.

39. درخت مشترک مبتنی بر هسته: center-based trees
یک درخت مشترک برای تمامی گره ها
یک روتر بعنوان روتر مرکزی (هسته) انتخاب میشود
برای اتصال
روتر لبه یک پیام تک پخشی join-message به گره هسته ارسال میکند
پیام join-message توسط روترهای میانی بررسی شده و در نهایت به هسته تحویل داده میشود
مسیر طی شده توسط join-message بعنوان شاخه جدید درخت اضافه میشود.
Notes:
The earliest discussion of center-based trees for multicast appears to be D. Wall, “Mechanisms for Broadcast and Selective Broadcast,” PhD dissertation, Stanford U., June 1980.

40. مثال Center-Based Trees
Suppose R6 chosen as center: ♪ R1
Source 3 ♪
♪:router with attached
group member R4 R2 1
path order in which join messages generated R5 2 ♪ P 1 R3 ♪ R7 R6

41. درخت چندپخشی و آدرس دهی
همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، برای آدرسهای IP، پنج کلاس تعریف میشود. یک کلاس مربوط به ترافیک چندپخشی میباشد
تمامی اعضای یک گروه ازآدرس “Class D” که آدرس گروه است را به اشتراک میگذارند
یک ایستگاه انتهایی ممکن است میتواند عضو یک گروه شود
با استفاده از پیامهای IGMP: Internet Group Management Protocol
روترها وضعیت عضویت هر یک از ایستگاه های انتهایی را به گروهها بصورت وضعیت نرم (Soft-State) نگهداری میکنند
در حالت Soft-State وضعیت باید بصورت دوره ای به روز شود
Network
Host
110 A 10 B C D
class to to to to
32 bits
1110
multicast address E to
11110
experimentation
format
range
N.N.N.H
N.N.H.H
N.H.H.H

42. Multicast Routing Protocols