KTN kap. 4 Network Layer: Data Plane

Kva er hovudoppgåva til nettverkslaget?

Nettverkslaget har ansvar for å frakte datagram (IP-pakkar) frå ein avsendar-host til ein mottakar-host gjennom fleire nettverk og rutere.

Kvar finst nettverkslaget?

Det finst både i endesystem (PC-ar, serverar) og i alle rutere i nettet.

forwarding

den faktiske prosessen med å flytte ein pakke frå ein inngangsport til den rette utgangsporten inne i éin enkelt ruter.

routing

prosessen med å finne den beste vegen frå kjelde til destinasjon gjennom heile nettverket.

forwarding vs routing

Det første er prosessen med å flytte ein pakke frå ein inngangsport til den rette utgansporten inne i ein ruter.

Det siste handlar om å finne den beste vegen frå kjelde til destinasjon gjennom heile nettverket.

Network Layer

laget i nettverksmodellen som har ansvar for å frakte IP-datagram frå ein avsendar-host til ein mottakar-host gjennom fleire rutere og nettverk.

Data plane

lokal funksjon i kvar ruter som bestemmer kor datagrammet skal sendast vidare (hardware)

control plane

nettverkslogikken som bestemmer rutene gjennom nettet (software)

To typar control plane

1. per-router control plane

2. SDN control plane

per-router control plane

ein modell der kvar ruter sjølv køyrer routing-algoritmar og bestemmer rutene basert på informasjon frå andre rutere.

SDN control plane

Ein modell der routing-logikken ligg i ein sentral styringsenhet som bestemmer rutene og sender reglar til rutere.

network service model

ein beskriving av kva garantiar og eigenskapar nettverket tilbyr for levering av datagram mellom avsendar og mottakar.

datagram

ein sjølvstendig pakke i network layer som inneheld header og data. Blir sendt vidare utan garanti for levering eller rekkefølgje.

Kva betyr det at Internett er “best effort”?

Det betyr at nettet prøver å levere pakkane, men gir ingen garanti for at dei kjem fram, i rett rekkefølgje, utan tap eller med bestemt forsinking.

QoS (Quality of Service)

mekanismar i nettverket som gir bestemte garantiar for til dømes båndbreidde, forsinking, tap eller rekkefølgje på trafikk.

Routing algorithms

algoritmar som blir brukt til å berekne den beste ruta eit datagram skal ta frå kjelde til destinasjon i eit nettverk.

forwarding table

ein tabell i ein ruter som bestemmer kva utgangsport ein pakke skal sendast vidare til, basert på destinasjonsadressa.

Kva brukar ruteren for å slå opp i forwarding-tabellen?

Verdien i eitt eller fleire header-felt i den innkommande datagram, vanlegvis destinasjons-IP-adressaa

Kva er ein oppføring i ein forwarding table?

ein rad som koplar ein destinasjonsadresse (eller adresseområde) til eit bestemt utgangsgrensesnitt.

Kva er eit interface i ein ruter?

eit nettverksgrensesnitt (ein port) som koplar ruteren til eit nettverk eller ei lenke.

utgangsinterface

den porten datagrammet blir sendt ut gjennom for å gå vidare mot destinasjonen.

Kvifor treng vi interface i forwarding?

Fordi ruteren må vite kva fysisk eller logisk lenke pakken skal sendast vidare på.

Er forwarding lokalt eller gjeld det heile nettverket?

Forwarding er lokalt – kvar ruter bestemmer berre neste hopp for pakken. Altså kva neste steg er lokalt.

Software-Defined Networking (SDN)

ein nettverksarkitektur der kontrollen (routing-logikken) er skilt frå rutere og flytta til ein sentral styringsenhet (server)

Kva gjer ein ruter ?

1. Tek imot ein pakke på ein input-port

2. Les IP-headeren (vanlegvis destinasjons-IP-adressa)

3. Slår opp i forwarding-tabellen

4. Sender pakken vidare på riktig output-interface

Kva er dei fire hovudkomponentane i ein ruter?

1. input ports

2. switching fabric

3. output ports

4. routing processor.

input port

den delen av ruteren som tek imot innkomande pakkar, behandlar dei på fysisk- og link-lag-nivå, og slår opp i forwarding-tabellen for å finne kva output-port pakken skal sendast vidare til.

switching fabric

Den interne koplingsmekanismen i ruteren som flyttar pakkar frå riktig input-port til riktig output-port.

Output port

Den delen av ruteren som lagrar pakkar (køar) og sender dei ut på den riktige utgåande linken, ved å utføre link- og fysisk-lag-funksjonar.

Routing processor

Den delen av ruteren som køyrer routing-protokollar, bygger routing-tabellar og oppdaterer forwarding-tabellen (control plane)

Den bestemmer kvar trafikken skal gå.

forwarding lookup

Prosessen der ruteren slår opp i forwarding-tabellen basert på pakkens header (vanlegvis destinasjons-IP) for å finne kva output-interface pakken skal sendast til.

data plane vs control plane

Data plane handterer rask forwarding av pakkar (hardware)

Control plane handterer routing og styring (software).

Kva deler av ein router høyrer til data plane?

Input ports, switching fabric, output ports og forwarding lookup.

Kva deler av ein router høyrer til control plane?

Routing processor og routing-algoritmar.

Kvifor er forwarding implementert i hardware?

Fordi pakkar kjem svært raskt (nanosekund-nivå), og software ville vore for tregt.

destination-based forwarding

Ruteren bestemmer output-port basert berre på destinasjons-IP-adressa.

generalized forwarding

ruteren kan ta avgjerder basert på fleire header-felt, ikkje berre destinasjonsadresse.

Kan det oppstå kø i input-porten?

Ja, dersom switching fabric er opptatt eller output-porten er full.

Rolla til input-prot i forwarding prosessen

den les destinasjons-IP og slår opp i forwarding-tabellen for å bestemme riktig output-port.

Kva lag i nettverksmodellen er involvert i input-porten?

Fysisk lag, link-lag og delar av nettverkslaget (for header-lesing).

Kva skjer på physical layer i input-porten?

Ruteren tek imot bits frå den fysiske linken (bit-level reception) og terminerer den innkomande fysiske forbindelsen.

Kva skjer på link layer i input-porten?

Ruteren behandlar link-layer-protokollen (t.d. Ethernet), fjernar link-layer-headeren og hentar ut IP-datagrammet.

dvs. den gjer om frame til IP-datagram ved å fjerne link-layer-headeren.

Kva betyr det at ein link er bidirectional?

Det betyr at data kan sendast i begge retningar mellom to enheter.

remote controller

ein sentral styringsenhet (server) som ligg utanfor rutere og bestemmer forwarding-reglar for dei.

“match plus action”

Ruteren matchar header-felt mot ein oppføring i forwarding-tabellen og utfører handlinga som står der (t.d. send til interface 2).

input port queuing

når pakkar må vente i kø ved input-porten fordi dei kjem raskare inn enn dei kan sendast vidare inn i switch fabric (eller vidare til output-porten).

longest prefix matching

ein metode der ruteren vel den oppføringa i forwarding-tabellen som har flest like startbits (lengst prefix) og som matcher destinasjonsadressa.

prefix

Antall like startbits i ein IP-adresse som er felles for alle adressene i eit nettverk

Delen av IP-adressa som identifiserer kva nettverk adressa tilhøyrer.

Kvifor brukar vi longest prefix matching?

Fordi fleire routing-oppføringar kan matche same destinasjonsadresse, og vi må velje den mest spesifikke ruta, dvs. ruta med lengst prefix.

longest prefix

den lengste starten (prefixet) av ein IP-adresse som matchar ein oppføring i routing-tabellen.

TCAM (Ternary Content Addressable Memory)

Ein type spesialminne som kan søkje gjennom alle oppføringar samtidig og støtte tre verdiar per bit: 0, 1 og “don’t care”.

Blir brukt i rutere for rask longest prefix matching i forwarding-tabellen.

Content addressable memory (CAM)

Ein type minne der ein søkjer på innhaldet (verdien) i staden for på ei bestemt minneadresse.

I

rutere blir dette brukt for å finne raskt rett oppføring i forwarding-tabellen.

Cisco Catalyst

ein serie nettverks-switchar (og nokre rutere) frå Cisco som blir brukte i bedriftsnettverk for å handtere trafikk, VLAN, routing og switching.

switching rate

arten pakkar kan bli flytta frå input-portar til output-portar.

Ønskeleg switching rate dersom ruteren har N input-porter med rate R

N × R

switching via memory

Ein eldre metode der pakken først blir kopiert til systemminnet, og deretter frå minnet til riktig output-port.

CPU-en styrer sjølve switching-prosessen.

switching via bus

Ein metode der pakken blir sendt frå input-porten til output-porten via ein delt intern buss i ruteren.

Alle portane deler same buss, så berre éin pakke kan overførast om gongen

Kva er ein buss i samanhengen med

switching via bus?

ein delt intern kommunikasjonskanal i ruteren som fraktar pakkar mellom input-portar og output-portar.

begrensinga med switching via memory

Berre ein lese/skrive-operasjon kan skje om gongen, så berre ein pakke kan overførast om gongen.

Kva bestemmer maksimal switching-hastigheit ved memory switching?

Minnet si lese-/skrivehastigheit.

begrensinga ved bus-switching

berre éin pakke kan krysse bussen om gongen.

Kvifor må pakkar vente ved bus-switching?

Fordi alle pakkar deler same buss, og berre éin kan bruke han om gongen.

Når passar bus-switching?

det passar i mindre rutere, t.d. i lokale nettverk og enterprise-nettverk

switching via interconnection network

ein metode der ruteren bruker eit internt nettverk (t.d. ein crossbar) for å sende fleire pakkar parallelt frå input-portar til ulike output-portar.

crossbar switch

ein type switching fabric som koplar N input-portar til N output-portar via eit rutenett (matrise) av interne bussar.

Crosspoints

koblingspunkt i ein crossbar-switch der ein bestemt input-port kan koplast direkte til ein bestemt output-port.

dei tre hovudtypane switching fabric

1. Switching via memory

2. Switching via bus

3. Switching via interconnection network (crossbar)

Kva betyr at ein crossbar er non-blocking?

At fleire pakkar kan forwardast samtidig, så lenge dei går til ulike output-portar.

fordelen med crossbar

den kan sende fleire pakkar parallelt, og gir mykje høgare gjennomstrøyming.

CRS (Classless Routing System / Classless Routing Scheme)

ruting utan faste adresseklassar (A, B, C), der ein brukar variabel lengde på nettverksprefiks.

Kva kan skje dersom input-bufferen blir full?

pakkar kan bli droppa (buffer overflow).

buffer overflow

når fleire pakkar kjem inn enn det er plass til i bufferet, slik at nye pakkar må droppast.

konsekvensen av buffer overflow

pakketap, auka forsinking og mogleg redusert ytelse

Head-of-the-Line (HOL) blocking

Når eit datagram fremst i køa blokkerer andre datagram bak, sjølv om dei kunne blitt sendt vidare.

når skjer Head-of-the-Line (HOL) blocking?

Det skjer når ei datagram fremst i input-køen ventar på ein opptatt output-port, og dermed hindrar datagram bak i køen frå å bli sendt, sjølv om dei andre datagrama kunne ha gått til ein annan ledig port.

output port overflow

når pakkar kjem raskare frå switch fabric enn det utgåande link kan sende dei, slik at bufferen blir full og pakkar må droppast.

konsekvensane av output port overflow

Forsinking (queueing delay) og pakketap.

Kva seier den klassiske tommelfingerregelen (RFC 3439) om kor stor buffer ein bør ha i ein ruter?

Bufferstorleiken bør vere omtrent lik RTT × linkkapasitet (C)

Kva er ei nyare anbefaling når det finst mange samtidige flows (N flows)?

Buffer ≈ (RTT × C) / √N.

N flows

talet på samtidige, uavhengige datastrømer (forbindelser) som deler same flaskehals-lenke.

typisk ein TCP-forbindelse mellom ein avsendar og ein mottakar.

buffer management

Mekanismar som bestemmer kva pakke som skal droppast eller merkast når bufferen er full.

tail drop

den nyaste pakken blir droppa når buffer er full.

priority drop

pakkar blir droppa basert på prioritet.

marking (ECN, RED)

Ruteren merkar pakkar for å signalisere trengsel i staden for å droppe dei direkte.

Kva betyr marking i ein ruter?

det betyr at ruteren merkar pakkar for å signalisere congestion i staden for å droppe dei direkte.

ECN (Explicit Congestion Notification)

ein mekanisme der ruteren set eit bit i IP/TCP-headeren for å varsle avsendar om congestion utan å droppe pakken.

RED (Random Early Detection)

ein metode der ruteren byrjar å merke eller droppe pakkar tilfeldig før bufferen blir full, for å unngå brå køoppbygging.

multistage switching

Fleire små switchar kopla saman for å lage stor switch.

output port queuing

når pakkar kjem frå switching fabric raskare enn output-linken kan sende dei vidare, dvs inngåande trafikk er større enn transmisjonsrate R

Kva betyr det at fabric har rate NR og linken har rate R?

Fabric kan levere opptil N gonger raskare enn éin enkelt output-link.

Scheduling discipline

regelen som bestemmer kva pakke i køen som skal sendast neste på ein link.

Drop policy

Regelen som bestemmer kva pakke som skal droppast når bufferet er fullt.

Input port queuing vs Output port queuing

Det eine er ein kø som oppstår før switching fabric, når pakkar kjem raskare inn enn dei kan overførast internt i rutaren.

Det andre er ein kø som oppstår etter switching fabric, når pakkar kjem raskare til ein output-port enn linken kan sende dei vidare (R).

Kva skjer dersom ankomstraten til output-porten er større enn transmisjonsraten (R)?

Datagram hopar seg opp i bufferen til outputporten og det oppstår kø.

bufferbloat

når bufferkapasiteten i ein router er sett så høgt at datagram blir liggande lenge i kø, noko som skapar høg RTT

packet scheduling

regelen som bestemmer kva datagram som skal sendast neste på linken.

Kvifor treng ein router packet scheduling i output-porten?

Fordi da berre er eitt datagram kan sendast om gongen, medan fleire datagram kan vente i kø.

First-in-First-Out (FIFO)

eit prinsipp der det som kjem først inn i ei kø, også er det første som blir behandla eller sendt ut.

FIFO link-scheduling discipline

ein scheduling-regel i ein router der datagram på ein utgangslink blir sendt i same rekkefølgje som dei kom til output-bufferen (først inn, først ut).

transmission

når eit datagram blir sendt ut på output-linken med transmisjonsrate R.