Network Layer 4-1 RYHMÄN JÄSENET (tämän esityksen dioista) JOUNI KORTELAINEN 1-63 PAAVO PIRINEN ALEKSI POHJOLA

Chapter 4 Network Layer Computer Networking: A Top Down Approach 6 th edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley March 2012 A note on the use of these ppt slides: We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They’re in PowerPoint form so you see the animations; and can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following:  If you use these slides (e.g., in a class) that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!)  If you post any slides on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material. Thanks and enjoy! JFK/KWR All material copyright J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Network Layer 4-2

Chapter 4 Verkkokerros Computer Networking: A Top Down Approach 6 th edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley March 2012 A note on the use of these ppt slides: We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They’re in PowerPoint form so you see the animations; and can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following:  If you use these slides (e.g., in a class) that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!)  If you post any slides on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material. Thanks and enjoy! JFK/KWR All material copyright J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Network Layer 4-3

Network Layer 4-4 Chapter 4: network layer chapter goals:  understand principles behind network layer services:  network layer service models  forwarding versus routing  how a router works  routing (path selection)  broadcast, multicast  instantiation, implementation in the Internet

Network Layer 4-5 Luku 4: verkkokerros Kappaleen tavoitteet:  Ymmärtää verkkokerroksen palvelujen periaatteet:  Verkkokerroksen palvelumallit  Välitys vs reititys  Miten reititin toimii  Reititys (polun valinta)  Yleislähetys, monilähetys  Implementointi Internetissä

Network Layer introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what’s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol  datagram format  IPv4 addressing  ICMP  IPv6 4.5 routing algorithms  link state  distance vector  hierarchical routing 4.6 routing in the Internet  RIP  OSPF  BGP 4.7 broadcast and multicast routing Chapter 4: outline

Network Layer johdanto 4.2 virtuaaliset piiri ja datagrammi verkot 4.3 mitä on reitittimen sisällä 4.4 IP: Internet Protokolla tietosähke-formaatti  IPv4 osoitteet  ICMP  IPv6 4.5 reititys algoritmit  linkkitila  etäisyysvektori  Hierarkinen reititys 4.6 reititys Internetissä  RIP  OSPF  BGP 4.7 yleislähetys ja monilähetys reititys Kappale 4: yhteenveto

Network Layer 4-8 Network layer  transport segment from sending to receiving host  on sending side encapsulates segments into datagrams  on receiving side, delivers segments to transport layer  network layer protocols in every host, router  router examines header fields in all IP datagrams passing through it application transport network data link physical application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical

Network Layer 4-9 Verkkokerros  Siirttää segmentin lähettävältä vastaanottavalle isännälle  Lähettävällä puolella kapseloi segmentit datagrammeihin  Vastaanottavalla puolella toimittaa segmentit kuljetuskerrokseen  Verkkokerroksen protkollat jokaisessa isännässä, reitittimessä  Reititin tutkii otsikkokenttää kaikissa IP datagrammeissa, jotka menevät sen läpi application transport network data link physical application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical

Network Layer 4-10 Two key network-layer functions  forwarding: move packets from router’s input to appropriate router output  routing: determine route taken by packets from source to dest.  routing algorithms analogy:  routing: process of planning trip from source to dest  forwarding: process of getting through single interchange

Network Layer 4-11 Verkkokerroksen kaksi tärkeintä toimintoa  välitys: siirtää paketit reitittimen tulosta oikean reitittimen lähtöön  reititys: päättää reitin, jonka paketit kulkevat lähteeltä määränpäähän  reititysalgoritmit analogia:  reititys: prosessi, jossa suunnitellaan matka alusta määränpäähän  välitys: prosessi, jossa mennään yhden liittymän läpi

Network Layer value in arriving packet’s header routing algorithm local forwarding table header value output link Interplay between routing and forwarding routing algorithm determines end-end-path through network forwarding table determines local forwarding at this router

Network Layer Saapuvan paketin otsikon arvo reititysalgoritmi Paikallinen välitystaulu Otsikon arvo Lähdön linkki Reitityksen ja välittämisen vuorovaikutus Reititysalgoritmi päättää päästä-päähän reitin verkon läpi forwarding table determines local forwarding at this router

Network Layer 4-14 Connection setup  3 rd important function in some network architectures:  ATM, frame relay, X.25  before datagrams flow, two end hosts and intervening routers establish virtual connection  routers get involved  network vs transport layer connection service:  network: between two hosts (may also involve intervening routers in case of VCs)  transport: between two processes

Network Layer 4-15 Yhteyden asetus  3. tärkein funktio joissain verkkoarkkitehtuureissa:  ATM, kehysvälitys, X.25  Ennen kuin datagrammit liikkuvat, kaksi pääteisäntää ja välillä olevat reitittimet tekevät virtuaalisen yhteyden  Reitittimet osallistuvat  Verkko- vs kuljetuskerros yhteyspalvelu:  verkko: kahden isännän välillä (voi myös sisältää välissä olevia reitittimiä VCn tapauksessa)  kuljetus: kahden prosessin välillä

Network Layer 4-16 Network service model Q: What service model for “channel” transporting datagrams from sender to receiver? example services for individual datagrams:  guaranteed delivery  guaranteed delivery with less than 40 msec delay example services for a flow of datagrams:  in-order datagram delivery  guaranteed minimum bandwidth to flow  restrictions on changes in inter-packet spacing

Network Layer 4-17 Verkon palvelumalli Q: Mikä palvelumalli ”kanavalle”, joka siirtää datagrammeja lähettäjältä vastaanottajalle? Esimerkkipalveluja yksittäisille datagrammeille:  Varma toimitus  Varma toimitus alle 40 millisekunnin viiveellä Esimerkkipalveluja datagrammivirroille:  Datagrammien toimitus järjestyksessä  Taattu minimi kaistanleveys virralle  Rajoituksia muutoksille sisäisessä pakettien välistyksessä

Network Layer 4-18 Network layer service models: Network Architecture Internet ATM Service Model best effort CBR VBR ABR UBR Bandwidth none constant rate guaranteed rate guaranteed minimum none Loss no yes no Order no yes Timing no yes no Congestion feedback no (inferred via loss) no congestion no congestion yes no Guarantees ?

Network Layer 4-19 Verkkokerroksen palvelumallit: Verkko arkkitehtuuri Internet ATM Palvelu Malli Paras yritys CBR VBR ABR UBR Kaistanleveys none Jatkuva nopeus Taattu nopeus Taattu minimi Ei ole Häviö ei joo ei Järjestys ei joo Ajoitus ei joo ei Ruuhkan kierto Ei (päätelty häviöstä) ei ruuhkaa Ei ruuhkaa kyllä ei Takuita ?

Network Layer introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what’s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol  datagram format  IPv4 addressing  ICMP  IPv6 4.5 routing algorithms  link state  distance vector  hierarchical routing 4.6 routing in the Internet  RIP  OSPF  BGP 4.7 broadcast and multicast routing Chapter 4: outline

Network Layer johdanto 4.2 virtuaaliset piiri ja datagrammi verkot 4.3 mitä on reitittimen sisällä 4.4 IP: Internet Protokolla tietosähke-formaatti  IPv4 osoitteet  ICMP  IPv6 4.5 reititys algoritmit  linkkitila  etäisyysvektori  Hierarkinen reititys 4.6 reititys Internetissä  RIP  OSPF  BGP 4.7 yleislähetys ja monilähetys reititys Kappale 4: yhteenveto

Network Layer 4-22 Connection, connection-less service  datagram network provides network-layer connectionless service  virtual-circuit network provides network-layer connection service  analogous to TCP/UDP connecton-oriented / connectionless transport-layer services, but:  service: host-to-host  no choice: network provides one or the other  implementation: in network core

Network Layer 4-23 Yhteys, yhteyksetön palvelu  datagrammi verkko tarjoaa verkkokerrokselle yhteyksetöntä palvelua  Virtuaali-piiri verkko tarjoaa verkkokorrekselle yhteys palvelua  Analoginen TCP/UDP yhteys-keskeisille / yhteydettömille kuljetuskerroksen palveluille, mutta:  palvelu: isännältä isännälle  Ei vaihtoehtoa: verkko tarjoaa jommankumman  implementaatio: verkon ytimessä

Network Layer 4-24 Virtual circuits  call setup, teardown for each call before data can flow  each packet carries VC identifier (not destination host address)  every router on source-dest path maintains “state” for each passing connection  link, router resources (bandwidth, buffers) may be allocated to VC (dedicated resources = predictable service) “source-to-dest path behaves much like telephone circuit”  performance-wise  network actions along source-to-dest path

Network Layer 4-25 Virtuaaliset piirit  Soiton asetus, vanhan soiton tuhoaminen ennen kuin data voi liikkua  Jokaisess paketissa on VC-tunniste (ei määränpään isännän osoite)  Jokainen reititin matkalla pitää ”tilan” jokaiselle ohimenevälle yhteydelle  linkin, reitittimen resursseja(kaistanleveys, puskurit) voidaan varata VC:lle (varatut resurssit = ennustettava palvelu) “lähteeltä määränpäähän-reitti toimii puhelinverkon tavoin”  Suorituskyvyn mukaan  Verkon toiminnot matkan varrella

Network Layer 4-26 VC implementation a VC consists of: 1.path from source to destination 2.VC numbers, one number for each link along path 3.entries in forwarding tables in routers along path  packet belonging to VC carries VC number (rather than dest address)  VC number can be changed on each link.  new VC number comes from forwarding table

Network Layer 4-27 VC toteutus VC koostuu: 1.reitistä lähteeltä määränpäähän 2.VC numeroista, yksi jokaiselle linkille reitillä 3.Kirjauksista välitystauluissa reitittimissä reitillä  VC:hen kuuluvassa paketissa on VC numero(määränpään osoitteen sijaan)  VC numero voidaan vaihtaa joka linkissä  Uusi VC numero tulee välitystaulusta

Network Layer 4-28 VC forwarding table VC number interface number Incoming interface Incoming VC # Outgoing interface Outgoing VC # … … forwarding table in northwest router: VC routers maintain connection state information!

Network Layer 4-29 VC välitystaulu VC numero käyttöliittymän numero Tuleva käyttöliittymäTuleva VC # Lähtevä käyttöliittymäLähtevä VC # … … Välitystaulu luoteessa olevassa reittimessä: VC-reitittimet säilyttävät yhteyden tilan informaation!

Network Layer 4-30 application transport network data link physical Virtual circuits: signaling protocols  used to setup, maintain teardown VC  used in ATM, frame-relay, X.25  not used in today’s Internet 1. initiate call 2. incoming call 3. accept call 4. call connected 5. data flow begins 6. receive data application transport network data link physical

Network Layer 4-31 application transport network data link physical Virtuaaliset piirit: viestittämisprotokollat  Käytetään asettamaan, ylläpitämään, tuhoamaan VC  Käytetään ATM:ssa, kehysvälitys, X.25  Ei käytetä nykyisin Internetissä 1. initiate call 2. incoming call 3. accept call 4. call connected 5. data flow begins 6. receive data application transport network data link physical

Network Layer 4-32 Datagram networks  no call setup at network layer  routers: no state about end-to-end connections  no network-level concept of “connection”  packets forwarded using destination host address 1. send datagrams application transport network data link physical application transport network data link physical 2. receive datagrams

Network Layer 4-33 Datagrammiverkot  Ei yhteyden rakentamista verkkokerroksessa  reitittimet: ei tilaa päästä-päähän yhteyksistä  Ei verkkotason konseptia ”yhteydestä”  Paketit välitetään käyttämällä määränpään isännän osoitetta 1. send datagrams application transport network data link physical application transport network data link physical 2. receive datagrams

Network Layer Datagram forwarding table IP destination address in arriving packet’s header routing algorithm local forwarding table dest address output link address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range billion IP addresses, so rather than list individual destination address list range of addresses (aggregate table entries)

Network Layer Datagrammin välitystaulu IP:n määränpään osoite saapuu paketin otsikossa routing algorithm local forwarding table dest address output link address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range miljardia IP osoitetta, joten yksittäisten määränpään osoitteiden listaamisen sijaan listataan osoitteiden joukkoja

Network Layer 4-36 Destination Address Range through through through otherwise Link Interface Q: but what happens if ranges don’t divide up so nicely? Datagram forwarding table

Network Layer 4-37 Määränpään Osoitejoukko through through through otherwise Linkin littymä Q: mutta mitä tapahtuu jos joukot eivät jakaannu niin nätisti Datagrammien välitystaulut

Network Layer 4-38 Longest prefix matching Destination Address Range *** ********* ********* *** ********* otherwise DA: examples: DA: which interface? when looking for forwarding table entry for given destination address, use longest address prefix that matches destination address. longest prefix matching Link interface

Network Layer 4-39 Pisimmän etuliitteen vertailu Määränpään osoitejoukko *** ********* ********* *** ********* muuten DA: esimerkit: DA: which interface? Välitystaulun kirjausta tietylle määränpään osoitteelle etsiessä käytä pisintä osoitteen etuliitettä, joka sopii määränpään osoitteeseen Pisimmän etuliitteen vertailu Link interface

Network Layer 4-40 Datagram or VC network: why? Internet (datagram)  data exchange among computers  “elastic” service, no strict timing req.  many link types  different characteristics  uniform service difficult  “smart” end systems (computers)  can adapt, perform control, error recovery  simple inside network, complexity at “edge” ATM (VC)  evolved from telephony  human conversation:  strict timing, reliability requirements  need for guaranteed service  “dumb” end systems  telephones  complexity inside network

Network Layer 4-41 Datagrammi vai VC verkko: miksi? Internet (datagrammi)  Datan vaihto tietokoneiden välillä  “elastinen” palvelu, tiukkoja ajoituksia ei tarvita  Monia linkkityyppejä  Eri tunnusmerkit  Yhtenäinen palvelun vaikeus  “fiksut” päätesysteemit (tietokoneet)  Voivat sopeutua, suorittaa ohjausta, virheestä toipuminen  Yksinkertainen verkon sisällä, monimutkainen ”reunoilla” ATM (VC)  Kehittynyt puhelimista  Ihmisten keskustelu:  Tiukat ajoitus- ja luotettavuusvaatimukset  Tarve taatuille palveluille  “tyhmät” päätesysteemit  puhelimet  Monimutkaisuus verkon sisällä

Network Layer introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what’s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol  datagram format  IPv4 addressing  ICMP  IPv6 4.5 routing algorithms  link state  distance vector  hierarchical routing 4.6 routing in the Internet  RIP  OSPF  BGP 4.7 broadcast and multicast routing Chapter 4: outline

Network Layer johdanto 4.2 virtuaaliset piiri ja datagrammi verkot 4.3 mitä on reitittimen sisällä 4.4 IP: Internet Protokolla tietosähke-formaatti  IPv4 osoitteet  ICMP  IPv6 4.5 reititys algoritmit  linkkitila  etäisyysvektori  Hierarkinen reititys 4.6 reititys Internetissä  RIP  OSPF  BGP 4.7 yleislähetys ja monilähetys reititys Kappale 4: yhteenveto

Network Layer 4-44 Router architecture overview two key router functions:  run routing algorithms/protocol (RIP, OSPF, BGP)  forwarding datagrams from incoming to outgoing link high-seed switching fabric routing processor router input ports router output ports forwarding data plane (hardware) routing, management control plane (software) forwarding tables computed, pushed to input ports

Network Layer 4-45 Reitittimen arkkitehtuurin yleiskatsaus Kaksi tärkeää reitittimen toimintoa:  Reititysalgoritmien/ohjelmien pyörittäminen(RIP, OSPF, BGP)  Datagrammien välitys tulevasta lähetään linkkiin high-seed switching fabric routing processor router input ports router output ports forwarding data plane (hardware) routing, management control plane (software) forwarding tables computed, pushed to input ports

Network Layer 4-46 line termination link layer protocol (receive) lookup, forwarding queueing Input port functions decentralized switching:  given datagram dest., lookup output port using forwarding table in input port memory (“match plus action”)  goal: complete input port processing at ‘line speed’  queuing: if datagrams arrive faster than forwarding rate into switch fabric physical layer: bit-level reception data link layer: e.g., Ethernet see chapter 5 switch fabric

Network Layer 4-47 line termination link layer protocol (receive) lookup, forwarding queueing Tuloportin toiminnot Ei-keskittynyt vaihtaminen:  Saa datagrammin määränpään, hakee lähtöportin käyttäen välitystaulua tuloportin muistissa  Tavoite: täysi tuloportin prosessointi ”linjanopeudella”  Jonotus: jos datagrammit saapuvat nopeammin kuin välitysnopeus vaihtorakenteeseen Fyysinen kerros: Bittitason vastaanotto datalinkkikerros: e.g., Ethernet Katso luku 5 Vaihtorakenne

Network Layer 4-48 Switching fabrics  transfer packet from input buffer to appropriate output buffer  switching rate: rate at which packets can be transfer from inputs to outputs  often measured as multiple of input/output line rate  N inputs: switching rate N times line rate desirable  three types of switching fabrics memory bus crossbar

Network Layer 4-49 Vaihtorakenteet  Siirtää paketin tulon puskurilta sopivalle lähdön puskurille  vaihtonopeus: nopeus jolla paketteja voidaan siirtää tulostal ähtöön  Mitataan usein tulo/lähtö-linjan nopeuden monikertana  N tuloa: vaihtonopeus N kertaa linjanopeus haluttua  Vaihtorakenteiden kolme tyyppiä muisti memory väylä ristikytkentä

Network Layer 4-50 Switching via memory first generation routers:  traditional computers with switching under direct control of CPU  packet copied to system’s memory  speed limited by memory bandwidth (2 bus crossings per datagram) input port (e.g., Ethernet) memory output port (e.g., Ethernet) system bus

Network Layer 4-51 Vaihto muistilla Ensimmäisen sukupolven reitittimet:  Perinteiset tietokoneet, joissa vaihto suoraan suorittimen ohjauksessa  Paketit kopioidaan systeemin muistiin  nopeuden rajan muistin kaistanleveys(2 väylän ylitystä per datagrammi) input port (e.g., Ethernet) memory output port (e.g., Ethernet) system bus

Network Layer 4-52 Switching via a bus  datagram from input port memory to output port memory via a shared bus  bus contention: switching speed limited by bus bandwidth  32 Gbps bus, Cisco 5600: sufficient speed for access and enterprise routers bus

Network Layer 4-53 Vaihto väylällä  Datagrammi tulosta porttimuistin kautta lähdön porttimuistille jaetulla bussilla  Väylien ero: vaihtonopeus rajoittuu väylien kaistanleveyteen  32 Gbps väylä, Cisco 5600: riittävä nopeus liityntä- ja yritysreitittimille bus

Network Layer 4-54 Switching via interconnection network  overcome bus bandwidth limitations  banyan networks, crossbar, other interconnection nets initially developed to connect processors in multiprocessor  advanced design: fragmenting datagram into fixed length cells, switch cells through the fabric.  Cisco 12000: switches 60 Gbps through the interconnection network crossbar

Network Layer 4-55 Vaihtaminen verkkojen yhteenkytkennällä  Pääsee linjojen kaistanleveys rajoitusten yli  Banyan-verkot, ristikytkentä, muut yhteenkytkennät alunperin kehitetty yhdistämään prosessoreja multiprosessoreiksi  Kehittynyt suunnittelu: datagrammin jakaminen kiinteän pituisiksi soluiksi, vaihtaa soluja rakenteen läpi  Cisco 12000: vaihtaa 60 Gbps yhteenkytkennän läpi crossbar

Network Layer 4-56 Output ports  buffering required when datagrams arrive from fabric faster than the transmission rate  scheduling discipline chooses among queued datagrams for transmission line termination link layer protocol (send) switch fabric datagram buffer queueing This slide in HUGELY important! Datagram (packets) can be lost due to congestion, lack of buffers Priority scheduling – who gets best performance, network neutrality

Network Layer 4-57 Lähtöportit  puskurointi vaaditaan, kun datagrammit Saapuvat rakenteesta nopeemmin kuin siirtonopeus  Aikataulutussäännöt valitsevat lähetettävät datagrammit line termination link layer protocol (send) switch fabric datagram buffer queueing TOSI TÄRKEÄ! Datagrammi (paketit) voidaan menettää ruuhkan takia, puskurien puute Tärkeysaikataulutus – kuka saa parhaan suorityskyvyn, verkon neutraalius

Network Layer 4-58 Output port queueing  buffering when arrival rate via switch exceeds output line speed  queueing (delay) and loss due to output port buffer overflow! at t, packets more from input to output one packet time later switch fabric switch fabric

Network Layer 4-59 Lähtöportin jonotus  Puskurointi kun tulonopeus viahdossa ylittää lähdön linjanopeuden  Jonotus(viive) ja häviö lähdön portin puskuroinnin ylityksen takia Paketteja enemmän lähdöltä tuloon Yksi pakettiaika myöhemmin… switch fabric switch fabric

Network Layer 4-60 How much buffering?  RFC 3439 rule of thumb: average buffering equal to “typical” RTT (say 250 msec) times link capacity C  e.g., C = 10 Gpbs link: 2.5 Gbit buffer  recent recommendation: with N flows, buffering equal to RTT C. N

Network Layer 4-61 Kuinka paljon puskurointia?  RFC 3439 sääntö: tavallinen puskurointi sama kuin ”tyypillinen” RTT (suunnilleen 250 msec) kertaa linkin kapasiteetti C  e.g., C = 10 Gpbs link: 2.5 Gbit buffer  Tuoreet suositukset: N virralla, bufferointi on RTT C. N

Network Layer 4-62 Input port queuing  fabric slower than input ports combined -> queueing may occur at input queues  queueing delay and loss due to input buffer overflow!  Head-of-the-Line (HOL) blocking: queued datagram at front of queue prevents others in queue from moving forward output port contention: only one red datagram can be transferred. lower red packet is blocked switch fabric one packet time later: green packet experiences HOL blocking switch fabric

Network Layer 4-63 Tuloportin jonotus  Vaihtorakenne hitaampi kuin tuloportit yhteensä -> jonotusta voi tapahtua tulojonoissa  Jonotuksen viive ja häviö tulon puskurin ylotyksen takia!  Head-of-the-Line (HOL) estäminen: jonottava datagrammi jonon edessä estää muita jonossa liikkumasta eteenpäin Lähtöporttien kilpailu: Vain yksi punainen datagrammi voidaan lähettää. Alempi punainen paketti blokataan. switch fabric Yksi paketti myöhemmin: vihreä paketti kokee HOL estämisen switch fabric

Network Layer introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what’s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol  datagram format  IPv4 addressing  ICMP  IPv6 4.5 routing algorithms  link state  distance vector  hierarchical routing 4.6 routing in the Internet  RIP  OSPF  BGP 4.7 broadcast and multicast routing Chapter 4: outline

Network Layer johdanto 4.2 virtuaaliset piiri ja datagrammi verkot 4.3 mitä on reitittimen sisällä 4.4 IP: Internet Protokolla tietosähke-formaatti  IPv4 osoitteet  ICMP  IPv6 4.5 reititys algoritmit  linkkitila  etäisyysvektori  Hierarkinen reititys 4.6 reititys Internetissä  RIP  OSPF  BGP 4.7 yleislähetys ja monilähetys reititys Kappale 4: yhteenveto

Network Layer 4-66 The Internet network layer forwarding table host, router network layer functions: routing protocols path selection RIP, OSPF, BGP IP protocol addressing conventions datagram format packet handling conventions ICMP protocol error reporting router “signaling” transport layer: TCP, UDP link layer physical layer network layer

Network Layer 4-67 Verkkokerros edelleenlähet ystaulukko Isäntä, reitittimien verkkokerroksen toiminnot: reititysprotokollat reitin valinta RIP, OSPF, BGP IP-protokollat käsittelee sopimuksia datasähkeen formaatti pakettien käsittely sopimukset ICMP protokolla virheraportointi reitittimien “signalointi” kuljetuskerros: TCP, UDP linkkikerros Fyysinen kerros Verkko- kerros

Network Layer 4-68 ver length 32 bits data (variable length, typically a TCP or UDP segment) 16-bit identifier header checksum time to live 32 bit source IP address head. len type of service flgs fragment offset upper layer 32 bit destination IP address options (if any) IP datagram format IP protocol version number header length (bytes) upper layer protocol to deliver payload to total datagram length (bytes) “type” of data for fragmentation/ reassembly max number remaining hops (decremented at each router) e.g. timestamp, record route taken, specify list of routers to visit. how much overhead?  20 bytes of TCP  20 bytes of IP  = 40 bytes + app layer overhead

Network Layer 4-69 ver pituus 32 bittiä data (Eri mittaisia, tyypillisesti TCP tai UDP segmentti 16-bit tunniste Ylätunnisteen tarkistesumma eloaika 32 bit lähteen IP-osoite head. len type of service flgs Palan kompensaatio upper layer 32 bit päämäärän IP-osoite valinnat (jos mitään) IP datasähkeen formaatti IP protokollan versionumero Ylätunnisteen pituus (bytes) upper layer protocol to deliver payload to Datasähkeen pituus(bytes) datatyyppi Paloitteluun, kasaukseen Jäljellä olevien hyppyjen määrä Esim. Ylös kirjattu aika, reitti, ohitettujen reitittimien tiedot Kunka paljon turhaa?  20 bytes of TCP  20 bytes of IP  = 40 bytes + app layer overhead

Network Layer 4-70 IP fragmentation, reassembly  network links have MTU (max.transfer size) - largest possible link-level frame  different link types, different MTUs  large IP datagram divided (“fragmented”) within net  one datagram becomes several datagrams  “reassembled” only at final destination  IP header bits used to identify, order related fragments fragmentation: in: one large datagram out: 3 smaller datagrams reassembly … …

Network Layer 4-71 IP paloittelu ja kokoaminen  Verkkolinkeillä on MTU (maksimi siirtokoko) – suurin mahdollinen linkki  Eri linkkityypeillä on eri MTU:t  Suuret IP datasähkeet on paloitelu verkkoon  Yhdestä datagrammista saadaan useampi  Kasataan vasta päämäärässä  IP ylätunnistetta käytetään segmenttien tunnistamiseen ja järjestyksen määrittelyyn paloittelu: in: yksi suuri datasähke out: 3 pienempää datasähkettä kokoaminen … …

Network Layer 4-72 ID =x offset =0 fragflag =0 length =4000 ID =x offset =0 fragflag =1 length =1500 ID =x offset =185 fragflag =1 length =1500 ID =x offset =370 fragflag =0 length =1040 one large datagram becomes several smaller datagrams example:  4000 byte datagram  MTU = 1500 bytes 1480 bytes in data field offset = 1480/8 IP fragmentation, reassembly

Network Layer 4-73 ID =x kompensaatio =0 fragflag =0 pituus =4000 ID =x offset =0 fragflag =1 length =1500 ID =x offset =185 fragflag =1 length =1500 ID =x offset =370 fragflag =0 length =1040 Yhdestä suuresta datasähkeestä tulee monta pienempää datasähkettä esimerkki:  4000 bitin datasähke  MTU = 1500 bittiä 1480 bittiä datakentässä kompensaatio = 1480/8 IP paloittelu ja kokoaminen

Network Layer introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what’s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol  datagram format  IPv4 addressing  ICMP  IPv6 4.5 routing algorithms  link state  distance vector  hierarchical routing 4.6 routing in the Internet  RIP  OSPF  BGP 4.7 broadcast and multicast routing Chapter 4: outline

Network Layer Esittely 4.2 virtuaalipiirit ja datasähkeverkosto 4.3 mitä on reitittimen sisällä 4.4 IP: Internet Protokolla  Datasähkeen formaatti  IPv4 osoitteenmuodostus  ICMP  IPv6 4.5 ohjausalgoritmit  Linkin tila  etäisyysvektori  Hierarkkinen ohjaus 4.6 Internetissä ohjaaminen  RIP  OSPF  BGP 4.7 yleislähetys ja monilähetys ohjaus Luku 4: yleiskuvaus

Network Layer 4-76 IP addressing: introduction  IP address: 32-bit identifier for host, router interface  interface: connection between host/router and physical link  router’s typically have multiple interfaces  host typically has one or two interfaces (e.g., wired Ethernet, wireless )  IP addresses associated with each interface =

Network Layer 4-77 IP osoitteenmuodostus: esittely  IP osoite: 32-bit tunnistus isäntäkoneelle, rajapinta reitittimelle  rajapinta: liityntä isäntäkoneen/reitittimen ja fyysisen linkin välillä  Reitittimillä tyypillisesti monta rajapintaa  Isäntäkoneella tyypillisesti yksi tai kaksi (esim langallinen Ethernet, langaton )  IP osoite jokaiselle rajapinnalle =

Network Layer 4-78 IP addressing: introduction Q: how are interfaces actually connected? A: we’ll learn about that in chapter 5, A: wired Ethernet interfaces connected by Ethernet switches A: wireless WiFi interfaces connected by WiFi base station For now: don’t need to worry about how one interface is connected to another (with no intervening router)

Network Layer 4-79 IP osoitteenmuodostus: esittely Q: kuinka rajapinnat yhdistyvät? A: opimme siitä luvuissa 5 ja A: langalliset Ethernet rajapinnat yhdistettynä Ethernet-kytkimillä A: langaton WiFi rajapinta yhdistettynä WiFi tukiasemalla Tällä hetkellä: ei tarvitse huolehtia kuinka rajapinnat on liitetty toisiinsa (ilman välissä olevaa reititintä)

Network Layer 4-80 Subnets  IP address:  subnet part - high order bits  host part - low order bits  what’s a subnet ?  device interfaces with same subnet part of IP address  can physically reach each other without intervening router network consisting of 3 subnets subnet

Network Layer 4-81 Aliverkko  IP-osoite:  Aliverkko-osa – korkeamman luokan bitit  Isäntäkoneenosa – alemman luokan bitit  Mikä on aliverkko?  Laiterajapinnat joilla on sama aliverkon IP- osoite  Voi fyysisesti saavuttaa toisen ilman välissä olevia reitittimiä Verkon kolmesta aliverkosta subnet

Network Layer 4-82 recipe  to determine the subnets, detach each interface from its host or router, creating islands of isolated networks  each isolated network is called a subnet subnet mask: /24 Subnets / / / subnet

Network Layer 4-83 resepti  Tunnistaaksesi aliverkon, irroita jokainen rajapinta isäntäkoneesta ja reitittimistä muodostaen eristettyjä verkkoja  Jokainen eristetty verkko on aliverkko subnet mask: /24 Aliverkot / / / subnet

Network Layer 4-84 how many? Subnets

Network Layer 4-85 Kuinka monta? Aliverkko

Network Layer 4-86 IP addressing: CIDR CIDR: Classless InterDomain Routing (luokaton reititys)  subnet portion of address of arbitrary length  address format: a.b.c.d/x, where x is # bits in subnet portion of address subnet part host part /23

Network Layer 4-87 IP osoitteenmuodostus: CIDR CIDR: Classless InterDomain Routing  Mielivaltaisen pitkän osoitteen aliverkon osa  Osoitteen formaatti: a.b.c.d/x, missä x on osoitteen aliverkko-osan bittien lukumäärä Aliverkko- osa isäntä osa /23

Network Layer 4-88 IP addresses: how to get one? Q: How does a host get IP address?  hard-coded by system admin in a file  Windows: control-panel->network->configuration- >tcp/ip->properties  UNIX: /etc/rc.config  DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol:  dynamically get address from as server  “plug-and-play ”

Network Layer 4-89 IP-osoite: kuinka se saadaan? Q: kuinka isäntäkone saa IP-osoitteen?  Järjestelmänvalvojan pysyvästi koodaama tiedosto  Windows: control-panel->network->configuration- >tcp/ip->properties  UNIX: /etc/rc.config  DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: saa osoitteen dynaamisesti palvelimelta  “plug-and-play ”

Network Layer 4-90 DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol goal: allow host to dynamically obtain its IP address from network server when it joins network  can renew its lease on address in use  allows reuse of addresses (only hold address while connected/“on”)  support for mobile users who want to join network (more shortly) DHCP overview:  host broadcasts “DHCP discover” msg [optional]  DHCP server responds with “DHCP offer” msg [optional]  host requests IP address: “DHCP request” msg  DHCP server sends address: “DHCP ack” msg

Network Layer 4-91 DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol tavoite: isäntäkone voi dynaamisesti saada IP-osoitteen verkkopalvelimelta kun se liittyy verkkoon  Voi uusia osoitteen vuokran  Mahdollistaa osoitteen uudelleenkäytön (pitää osoitetta vain yhdistettynä /“päällä”)  Tukee myös mobiilikäyttäjiä jotka tahtovat liittyäverkkoon (kohta lisää) DHCP yleiskatsaus:  Isäntäkone lähettää “DHCP discover” viestin [optional]  DHCP palvelin vastaa “DHCP offer” viestillä [optional]  Isäntäkone pyytää IP-osoitetta: “DHCP request” viesti  DHCP palvelin lähettää osoitteen: “DHCP ack” viesti

Network Layer 4-92 DHCP client-server scenario / / / DHCP server arriving DHCP client needs address in this network

Network Layer 4-93 DHCP asiakas-palvelin skenaario / / / DHCP palvelin saapuva DHCP asiakas tarvitsee osoitetta tässä verkossa

Network Layer 4-94 DHCP server: Arriving client DHCP discover src : , 68 dest.: ,67 yiaddr: transaction ID: 654 DHCP offer src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 654 lifetime: 3600 secs DHCP request src: , 68 dest:: , 67 yiaddrr: transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs DHCP client-server scenario Broadcast: is there a DHCP server out there? Broadcast: I’m a DHCP server! Here’s an IP address you can use Broadcast: OK. I’ll take that IP address! Broadcast: OK. You’ve got that IP address!

Network Layer 4-95 DHCP palvelin: Saapuva asiakas DHCP löytö src : , 68 dest.: ,67 yiaddr: transaction ID: 654 DHCP tarjous src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 654 lifetime: 3600 secs DHCP pyyntö src: , 68 dest:: , 67 yiaddrr: transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 655 lifetime: 3600 secs DHCP aiakas-palvelin skenaario lähetys: onko täällä DHCP palvelinta? lähetys: olen DHCP palvelin! Tässä on IP- osoite jota voit käyttää lähetys: OK. Otan tämän IP-osoitteen! lähetys: OK. Saat seen IP-osoitteen!

Network Layer 4-96 DHCP: more than IP addresses DHCP can return more than just allocated IP address on subnet:  address of first-hop router for client  name and IP address of DNS sever  network mask (indicating network versus host portion of address)

Network Layer 4-97 DHCP: muutakin kuin IP-osoitteita DHCP voi palauttaa muutakin kuin omistetun IP- osoitteen aliverkossa:  Ensimmäisen palvelimen reitittimen osoite  DNS palvelimen osoite ja nimi  Aliverkon peite (indikoi verkon ja isännän osoitteen osat)

Network Layer 4-98  connecting laptop needs its IP address, addr of first-hop router, addr of DNS server: use DHCP router with DHCP server built into router  DHCP request encapsulated in UDP, encapsulated in IP, encapsulated in Ethernet  Ethernet frame broadcast (dest: FFFFFFFFFFFF ) on LAN, received at router running DHCP server  Ethernet demuxed to IP demuxed, UDP demuxed to DHCP DHCP UDP IP Eth Phy DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP: example

Network Layer 4-99  Yhdistyvä kannetava tarvitsee IP-osoitteen, ensimmäisen reitittimen osoitteen, DNS palvelimen osoitteen; käyttää DHCP:ta Reititin jossa sisäänrakennettu DHCP palvelin  DHCP pyyntö kapseloituna UDP, kapseloituna IP, kapseloituna Ethernettiin  Ethernet kehys lähetys (päämäärä: FFFFFFFFFFFF ) LAN:lla vastaanotetaan reitittimessä jolla DHCP palvelin toimii  Ethernet demuxed to IP demuxed, UDP demuxed to DHCP DHCP UDP IP Eth Phy DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP: esimerkki

Network Layer  DCP server formulates DHCP ACK containing client’s IP address, IP address of first-hop router for client, name & IP address of DNS server  encapsulation of DHCP server, frame forwarded to client, demuxing up to DHCP at client DHCP: example router with DHCP server built into router DHCP UDP IP Eth Phy DHCP UDP IP Eth Phy DHCP  client now knows its IP address, name and IP address of DSN server, IP address of its first-hop router

Network Layer  DCP palvelin muodostaa DHCP, ACK sisältää asiakkaan IP-soitteen, ensimmäisen reitittimen IP-osoitteen ja DNS palvelimen osoitteen  DHCP palvelimen kapsulointi, kehys lähetetty asiakkaalle, limitys purettu DHCP saakka DHCP: esimerkki router with DHCP server built into router DHCP UDP IP Eth Phy DHCP UDP IP Eth Phy DHCP  Asiakas tietää nyt oman IP-osoitteen, DSN palvelimen nimen ja IP- osoitteen, ensimmäisen reitittimen IP-osoitteen

Network Layer DHCP: Wireshark output (home LAN) Message type: Boot Reply (2) Hardware type: Ethernet Hardware address length: 6 Hops: 0 Transaction ID: 0x6b3a11b7 Seconds elapsed: 0 Bootp flags: 0x0000 (Unicast) Client IP address: ( ) Your (client) IP address: ( ) Next server IP address: ( ) Relay agent IP address: ( ) Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Server host name not given Boot file name not given Magic cookie: (OK) Option: (t=53,l=1) DHCP Message Type = DHCP ACK Option: (t=54,l=4) Server Identifier = Option: (t=1,l=4) Subnet Mask = Option: (t=3,l=4) Router = Option: (6) Domain Name Server Length: 12; Value: E F ; IP Address: ; IP Address: ; IP Address: Option: (t=15,l=20) Domain Name = "hsd1.ma.comcast.net." reply Message type: Boot Request (1) Hardware type: Ethernet Hardware address length: 6 Hops: 0 Transaction ID: 0x6b3a11b7 Seconds elapsed: 0 Bootp flags: 0x0000 (Unicast) Client IP address: ( ) Your (client) IP address: ( ) Next server IP address: ( ) Relay agent IP address: ( ) Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Server host name not given Boot file name not given Magic cookie: (OK) Option: (t=53,l=1) DHCP Message Type = DHCP Request Option: (61) Client identifier Length: 7; Value: D323688A; Hardware type: Ethernet Client MAC address: Wistron_23:68:8a (00:16:d3:23:68:8a) Option: (t=50,l=4) Requested IP Address = Option: (t=12,l=5) Host Name = "nomad" Option: (55) Parameter Request List Length: 11; Value: 010F03062C2E2F1F21F92B 1 = Subnet Mask; 15 = Domain Name 3 = Router; 6 = Domain Name Server 44 = NetBIOS over TCP/IP Name Server …… request

Network Layer IP addresses: how to get one? Q: how does network get subnet part of IP addr? A: gets allocated portion of its provider ISP’s address space ISP's block /20 Organization /23 Organization /23 Organization /23... ….. …. …. Organization /23

Network Layer IP addresses: how to get one? Q: kuinka verkko saa aliverkon osan IP-osoitteesta? A: saa myönnetyn osan tarjoajan ISP:n osoiteavaruudesta ISP's block /20 Organization /23 Organization /23 Organization /23... ….. …. …. Organization /23

Network Layer Hierarchical addressing: route aggregation “Send me anything with addresses beginning /20” / / /23 Fly-By-Night-ISP Organization 0 Organization 7 Internet Organization 1 ISPs-R-Us “Send me anything with addresses beginning /16” /23 Organization hierarchical addressing allows efficient advertisement of routing information:

Network Layer Hierarkkinen osoitteenmuodostus: reitin aggregaatti “Send me anything with addresses beginning /20” / / /23 Fly-By-Night-ISP Organization 0 Organization 7 Internet Organization 1 ISPs-R-Us “Send me anything with addresses beginning /16” /23 Organization Hierarkkinen osoitteenmuodostus mahdollistaa tehokkaan reititysinformaation esityksen

Network Layer ISPs-R-Us has a more specific route to Organization 1 “Send me anything with addresses beginning /20” / / /23 Fly-By-Night-ISP Organization 0 Organization 7 Internet Organization 1 ISPs-R-Us “Send me anything with addresses beginning /16 or /23” /23 Organization Hierarchical addressing: more specific routes

Network Layer ISPs-R-Us on erityisempi reitti Organization1:lle “Send me anything with addresses beginning /20” / / /23 Fly-By-Night-ISP Organization 0 Organization 7 Internet Organization 1 ISPs-R-Us “Send me anything with addresses beginning /16 or /23” /23 Organization Hierarkkinen osoitteenmuodostus: erityisempi reitti

Network Layer IP addressing: the last word... Q: how does an ISP get block of addresses? A: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers  allocates addresses  manages DNS  assigns domain names, resolves disputes

Network Layer IP osoitteenmuodostus: viimeinen sana… Q: kuinka ISP saa osoitteen lohkon? A: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers  Jakaa osoitteita  Hallinnoi DNS:sää  Antaa aluenimet, selvittää riitoja

Network Layer NAT: network address translation local network (e.g., home network) /24 rest of Internet datagrams with source or destination in this network have /24 address for source, destination (as usual) all datagrams leaving local network have same single source NAT IP address: ,different source port numbers

Network Layer NAT: network address translation (osoitteenmuunnos) local network (e.g., home network) /24 rest of Internet Tämän verkon datasähkeillä joilla on lähde tai päämäärä on /24 osoite Kaikki lokaalista verkosta lähtevät datasähkeetsi sältävät saman lähde NAT IP-osoitteen: ,eri lähdeporttinumero

Network Layer motivation: local network uses just one IP address as far as outside world is concerned:  range of addresses not needed from ISP: just one IP address for all devices  can change addresses of devices in local network without notifying outside world  can change ISP without changing addresses of devices in local network  devices inside local net not explicitly addressable, visible by outside world (a security plus) NAT: network address translation

Network Layer syy: lokaali verkko käyttää vain yhtä IP-osoitetta joka näkyy ulos  Useita osoitteita ei tarvitse ISP:tä varten; vain yksi osoite kaikille laitteille  Voi muuttaa laitteiden osoitteita lokaalissa verkossa ilman ulkomaailman tiedottamista  Voi muuttaa ISP:tä ilman laitteen osoitteen muuttoa lokaalissa verkossa  Laite lokaalissa verkossa ei ole selvästi nähtävissä verkon ulkopuolelta NAT: network address translation

Network Layer implementation: NAT router must:  outgoing datagrams: replace (source IP address, port #) of every outgoing datagram to (NAT IP address, new port #)... remote clients/servers will respond using (NAT IP address, new port #) as destination addr  remember (in NAT translation table) every (source IP address, port #) to (NAT IP address, new port #) translation pair  incoming datagrams: replace (NAT IP address, new port #) in dest fields of every incoming datagram with corresponding (source IP address, port #) stored in NAT table NAT: network address translation

Network Layer täytäntööpano: NAT reitittimen täytyy:  Lähtevä datasähke: korvaa (lähteen IP-osoite, portin numero) jokaisen lähtevän datasähkeen (NAT IP-osoite, uuden portin numero)... Kaukaiset asiakkaat/palvelimet vastaavat käyttäen (NAT IP-osoite, uuden portin numero) päämäärän IP- osoitetta  muista (NAT:ssa käännöstaulukko) kaikki (lähteen IP-osoite, portin numero) (NAT IP-osoite, portin numero) käännetään  Tulevat datasähkeet: korvaa (NAT IP-osoite, uusi portin numero) jokaisessa tulevassa datasähkeessä päämäärän kentän vastaavan (lähteen IP-osoite, portin numero) talletetaan NAT-taulukkoon NAT: network address translation

Network Layer S: , 3345 D: , : host sends datagram to , 80 NAT translation table WAN side addr LAN side addr , , 3345 …… S: , 80 D: , S: , 5001 D: , : NAT router changes datagram source addr from , 3345 to , 5001, updates table S: , 80 D: , : reply arrives dest. address: , : NAT router changes datagram dest addr from , 5001 to , 3345 NAT: network address translation

Network Layer S: , 3345 D: , : isäntä lähettää datasähkeen ,80:lle NAT kääntötaulukko WAN side addr LAN side addr , , 3345 …… S: , 80 D: , S: , 5001 D: , : NAT reititin muuttaa datasähkeen lähteen osoitteen , 3345:stä , 5001, päivittää taulukon S: , 80 D: , : vastaus saapuu: päämäärän osoite , : NAT reititin Muuttaa datasähkeen osoitteen , 5001 to , 3345 NAT: network address translation

Network Layer  16-bit port-number field:  60,000 simultaneous connections with a single LAN-side address!  NAT is controversial:  routers should only process up to layer 3  violates end-to-end argument NAT possibility must be taken into account by app designers, e.g., P2P applications  address shortage should instead be solved by IPv6 NAT: network address translation

Network Layer  16-bit porttinumero-kenttä:  60,000 saman aikaista yhteyttä yhdellä LAN- puolen osoitteella!  NAT on kiistelty:  Reitittimien kuuluis prosessoida vain kolmea kerrosta  Rikkoo perä perään argumentin NAT mahdollisuus täytyy ottaa huomioon sovellusten suunnittelussa, esim P2P sovelluksissa  Osoitteiden puutos kannattaisi ratkaista IPv6:lla NAT: network address translation

Network Layer NAT traversal problem  client wants to connect to server with address  server address local to LAN (client can’t use it as destination addr)  only one externally visible NATed address:  solution1: statically configure NAT to forward incoming connection requests at given port to server  e.g., ( , port 2500) always forwarded to port NAT router client ?

Network Layer NAT läpikulku onglema  Asiakas tahtoo yhdistää palvelimeen jonka osoite on  Palvelimen osoite lokaali LAN (asiakas ei voi käyttää sitä päämäärän osoitteena)  Vain yksi ulos näkyvä NAT osoite:  Ratkaisu 1: staattisesti asetettu NAT lähettää tulevia yhteyspyyntöjä eteenpäin annetuun porttiin palvelimelle  esim., ( , portti 2500) lähetetään aina porttiin NAT router client ?

Network Layer NAT traversal problem  solution 2: Universal Plug and Play (UPnP) Internet Gateway Device (IGD) Protocol. Allows NATed host to:  learn public IP address ( )  add/remove port mappings (with lease times) i.e., automate static NAT port map configuration NAT router IGD

Network Layer NAT läpikulku ongelma  Ratkaisu 2: universaali “plug and play” (UPnP) “Internet Gateway Device” (IGD) Protocol. Mahdollistaa “NATattujen” isäntäkoneiden:  Pääsyn julkiseen IP- osoitteeseen ( )  Lisää/poista porttien kartoitus (vuokra-ajalla) esim., automatisoi staattisten NAT porttien kartoituksen NAT router IGD

Network Layer NAT traversal problem  solution 3: relaying (used in Skype)  NATed client establishes connection to relay  external client connects to relay  relay bridges packets between to connections client 1. connection to relay initiated by NATed host 2. connection to relay initiated by client 3. relaying established NAT router

Network Layer NAT läpipääsy ongelma  Ratkaisu 3: välitys (käytetään skypessä)  “NATattu” asiakas muodostaa yhteyden välittäjään  Ulkoinen asiakas liittyy välittäjään  välittäjä välittää paketit yhteyksien välillä client 1. Yhteys välittäjään “NATatulla” 2. Asiakas avaa yhteyden välittäjään 3. Uudelleenohjaus perustettu NAT router

Network Layer introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what’s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol  datagram format  IPv4 addressing  ICMP  IPv6 4.5 routing algorithms  link state  distance vector  hierarchical routing 4.6 routing in the Internet  RIP  OSPF  BGP 4.7 broadcast and multicast routing Chapter 4: outline

Network Layer Esittely 4.2 virtuaalipiirit ja datasähkeverkosto 4.3 mitä on reitittimen sisällä 4.4 IP: Internet Protokolla  Datasähkeen formaatti  IPv4 osoitteenmuodostus  ICMP  IPv6 4.5 ohjausalgoritmit  Linkin tila  etäisyysvektori  Hierarkkinen ohjaus 4.6 Internetissä ohjaaminen  RIP  OSPF  BGP 4.7 yleislähetys ja monilähetys ohjaus Luku 4: yleiskuvaus

Network Layer ICMP: internet control message protocol  used by hosts & routers to communicate network- level information  error reporting: unreachable host, network, port, protocol  echo request/reply (used by ping)  network-layer “above” IP:  ICMP msgs carried in IP datagrams  ICMP message: type, code plus first 8 bytes of IP datagram causing error Type Code description 0 0 echo reply (ping) 3 0 dest. network unreachable 3 1 dest host unreachable 3 2 dest protocol unreachable 3 3 dest port unreachable 3 6 dest network unknown 3 7 dest host unknown 4 0 source quench (congestion control - not used) 8 0 echo request (ping) 9 0 route advertisement 10 0 router discovery 11 0 TTL expired 12 0 bad IP header

Network Layer ICMP: internet control message protocol  Reitittimet ja isäntäkoneet käyttävät kommunikointiin verkkokerroksessa  Virheraportointi: isäntää ei voi tavoittaa, verkko, portti, protokolla  toisto pyyntö/vastaus (pingin käyttämä)  verkkokerros IP:n “yläpuolella”:  ICMP viestit IP datasähkeissä  ICMP viesti: tyyppi, koodi ja 8 insimmäistä bittiä virheellisestä IP datasähkeestä Type Code description 0 0 echo reply (ping) 3 0 dest. network unreachable 3 1 dest host unreachable 3 2 dest protocol unreachable 3 3 dest port unreachable 3 6 dest network unknown 3 7 dest host unknown 4 0 source quench (congestion control - not used) 8 0 echo request (ping) 9 0 route advertisement 10 0 router discovery 11 0 TTL expired 12 0 bad IP header

Network Layer Traceroute and ICMP  source sends series of UDP segments to dest  first set has TTL =1  second set has TTL=2, etc.  unlikely port number  when nth set of datagrams arrives to nth router:  router discards datagrams  and sends source ICMP messages (type 11, code 0)  ICMP messages includes name of router & IP address  when ICMP messages arrives, source records RTTs stopping criteria:  UDP segment eventually arrives at destination host  destination returns ICMP “port unreachable” message (type 3, code 3)  source stops 3 probes

Network Layer Traceroute ja ICMP  Lähde lähettää sarjan UDP segmenttejä  Ensimmäisessä setissä TTL =1  Toisessa setissä TTL=2, etc.  Ei portin numero  kun n:s sarja datasähkeitä saapuu n:teen reitittimeen:  Reititin poistaa datasähkeet  Lähettää lähteelle ICMP viestin (tyyppi 11, koodi 0)  ICMP viestissä on reitittimen nimi & IP-osoite  kun ICMP viesti saapuu, lähde tallettaa RTT:t Lopettamis kriteerit:  UDP segmentit saapuvat ajansaatossa päämäärään isäntäkoneelle  Päämäärä lähettää ICMP “portti ei käytössä” viestin (tyyppi 3, koodi 3)  Lähde lopettaa 3 probes

Network Layer IPv6: motivation  initial motivation: 32-bit address space soon to be completely allocated.  additional motivation:  header format helps speed processing/forwarding  header changes to facilitate QoS IPv6 datagram format:  fixed-length 40 byte header  no fragmentation allowed

Network Layer IPv6: syy  Alkuperäinen syy: 32-bit osoiteavaruus kohta kokonaa käytössä.  Muut syyt:  ylätunnisteen formaatti auttaa nopeuttamaan prosessointia ja edelleenlähetystä  ylätunnisteen muutos helpottaa QoS IPv6 datasähkeen formaatti:  Kiinteä 40 bitin pituinen ylätunniste  Paloittelu ei sallittua

Network Layer IPv6 datagram format priority: identify priority among datagrams in flow flow Label: identify datagrams in same “flow.” (concept of“flow” not well defined). next header: identify upper layer protocol for data data destination address (128 bits) source address (128 bits) payload len next hdr hop limit flow label pri ver 32 bits

Network Layer IPv6 datagrammin formaatti prioriteetti: tunnista prioriteetit datagrammien joukosta flow leima: tunnista datagrammit joilla sama “flow.” (“flow” konseptina ei hyvin määritelty). seuraava otsikko: identify upper layer protocol for data data määränpää osoite (128 bittiä) lähde osoite (128 bittiä) payload len next hdr hop limit flow leima pri ver 32 bits

Network Layer Other changes from IPv4  checksum: removed entirely to reduce processing time at each hop  options: allowed, but outside of header, indicated by “Next Header” field  ICMPv6: new version of ICMP  additional message types, e.g. “Packet Too Big”  multicast group management functions

Network Layer Muita muutoksia IPv4:sta  tarkistesumme: poistettu kokonaan ajan vähentämiseksi jokaisessa loikassa  vaihtoehdot: sallittu, mutta otsikon ulkopuolella, “next header” kenttä indikoimassa alkua  ICMPv6: ICMP uusi versio  lisää viestin tyyppejä, esim. “paketti liian suuri”  ryhmälähetyksessä ryhmän hallinnan toimintoja

Network Layer Transition from IPv4 to IPv6  not all routers can be upgraded simultaneously  no “flag days”  how will network operate with mixed IPv4 and IPv6 routers?  tunneling: IPv6 datagram carried as payload in IPv4 datagram among IPv4 routers IPv4 source, dest addr IPv4 header fields IPv4 datagram IPv6 datagram IPv4 payload UDP/TCP payload IPv6 source dest addr IPv6 header fields

Network Layer Siirtyminen IPv4 -> IPv6  kaikkia reitittimiä ei voida päivittää saman aikaisesti  ei “lippu päiviä”  miten verkko toimii kun joukossa IPv4 ja IPv6 reitittimiä  tunnelointi: IPv6 datagrammi kannetaan tietosisältönä IPv4:n datagrammissa IPv4 reitittimien välillä IPv4 source, dest addr IPv4 header fields IPv4 datagram IPv6 datagram IPv4 payload UDP/TCP payload IPv6 source dest addr IPv6 header fields

Network Layer Tunneling physical view: IPv4 A B IPv6 E F C D logical view: IPv4 tunnel connecting IPv6 routers E IPv6 F A B

Network Layer Tunnelointi fyysinen näkymä IPv4 A B IPv6 E F C D looginen näkymä IPv4 tunnel connecting IPv6 routers E IPv6 F A B

Network Layer flow: X src: A dest: F data A-to-B: IPv6 Flow: X Src: A Dest: F data src:B dest: E B-to-C: IPv6 inside IPv4 E-to-F: IPv6 flow: X src: A dest: F data B-to-C: IPv6 inside IPv4 Flow: X Src: A Dest: F data src:B dest: E physical view: A B IPv6 E F C D logical view: IPv4 tunnel connecting IPv6 routers E IPv6 F A B Tunneling IPv4

Network Layer flow: X src: A dest: F data A-to-B: IPv6 Flow: X Src: A Dest: F data src:B dest: E B-to-C: IPv6 inside IPv4 E-to-F: IPv6 flow: X src: A dest: F data B-to-C: IPv6 inside IPv4 Flow: X Src: A Dest: F data src:B dest: E fyysinen näkymä: A B IPv6 E F C D looginen näkymä: IPv4 tunneli yhdistää IPv6 reitittimet E IPv6 F A B Tunnelointi IPv4

Network Layer IPv6: adoption  US National Institutes of Standards estimate [2013]:  ~3% of industry IP routers  ~11% of US gov’t routers  Long (long!) time for deployment, use  20 years and counting!  think of application-level changes in last 20 years: WWW, Facebook, …  Why?

Network Layer IPv6: adoptio  US National Institutes of Standards arvio [2013]:  ~3% teollisuuden IP reitittimistä  ~11% Yhdysvaltain hallituksen reitittimistä  Pitkä (pitkä!) aika käyttöönottoon, käyttöön  20 vuotta ja jatkuu!  mieti sovellus-tason muutoksia viimeisen 20 vuoden aikana: WWW, Facebook, …  Miksi?

Network Layer introduction 4.2 virtual circuit and datagram networks 4.3 what’s inside a router 4.4 IP: Internet Protocol  datagram format  IPv4 addressing  ICMP  IPv6 4.5 routing algorithms  link state  distance vector  hierarchical routing 4.6 routing in the Internet  RIP  OSPF  BGP 4.7 broadcast and multicast routing Chapter 4: outline

Network Layer esittely 4.2 virtuaalipiirit ja datasähkeverkosto 4.3 mitä on reitittimen sisällä 4.4 IP: Internet Protokolla  Datasähkeen formaatti  IPv4 osoitteenmuodostus  ICMP  IPv6 4.5 ohjausalgoritmit  Linkin tila  etäisyysvektori  Hierarkkinen ohjaus 4.6 Internetissä ohjaaminen  RIP  OSPF  BGP 4.7 yleislähetys ja monilähetys ohjaus Chapter 4: yleiskuvaus

Network Layer IP destination address in arriving packet’s header routing algorithm local forwarding table dest address output link address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range Interplay between routing, forwarding routing algorithm determines end-end-path through network forwarding table determines local forwarding at this router

Network Layer IP määränpää osoite saapuvan paketin otsikossa routing algorithm local forwarding table dest address output link address-range 1 address-range 2 address-range 3 address-range Reitityksen ja edelleenlähetyksen vuorovaikutus reititys algoritmi päättää end-end polun verkossa edelleenlähetys taulukko päättää paikallisen edelleenlähetyksen tällä reitittimellä

Network Layer Hierarchical routing scale: with 600 million destinations:  can’t store all dest’s in routing tables!  routing table exchange would swamp links! administrative autonomy  internet = network of networks  each network admin may want to control routing in its own network our routing study thus far - idealization  all routers identical  network “flat” … not true in practice

Network Layer Hierarkkinen reititys mittakaava: 600 miljoonaa määränpäätä:  kaikkia ei voida säilöä reititystauluihin!  reititystaulujen vaihto hukuttaisi linkit! hallinnollinen autonomia  internet = verkkojen verkko  jokaisen verkon järjestelmänvalvoja saattaa haluta kontrolloida reititystä omassa verkossaan meidän reitityksen opiskelu tähän mennessä - idealisaatio  kaikki reitittimet identtisiä  verkko “tasainen” … ei totta käytännössä

Network Layer  aggregate routers into regions, “autonomous systems” (AS)  routers in same AS run same routing protocol  “intra-AS” routing protocol  routers in different AS can run different intra- AS routing protocol gateway router:  at “edge” of its own AS  has link to router in another AS Hierarchical routing

Network Layer  kerää reitittimet yhteen, alueiksi, “autonomiset systeemit” (AS)  reitittimet joilla sama AS käyttävät samaa reititysprotokollaa  “intra-AS” reititys protokolla  reitittimet joilla eri AS voivat käyttää eri intra- AS reititys protokollaa Yhdyskäytävän reititin:  oman AS:nsa “reunalla”  linkki reitittimeen joka toisessa AS Hierarkkinen reititys

Network Layer b 1d 3a 1c 2a AS3 AS1 AS2 1a 2c 2b 1b Intra-AS Routing algorithm Inter-AS Routing algorithm Forwarding table 3c Interconnected ASes  forwarding table configured by both intra- and inter-AS routing algorithm  intra-AS sets entries for internal dests  inter-AS & intra-AS sets entries for external dests

Network Layer b 1d 3a 1c 2a AS3 AS1 AS2 1a 2c 2b 1b Intra-AS Routing algorithm Inter-AS Routing algorithm Forwarding table 3c Yhdistetyt AS:it  edelleenlähetys taulu määritelty intra- ja yhdistettyjen AS reititys algoritmien välillä  intra-AS määrittelee sisäiset määränpäät  inter-AS & intra-AS määrittelevät ulkoiset määränpäät

Network Layer Inter-AS tasks  suppose router in AS1 receives datagram destined outside of AS1:  router should forward packet to gateway router, but which one? AS1 must: 1. learn which dests are reachable through AS2, which through AS3 2. propagate this reachability info to all routers in AS1 job of inter-AS routing! AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks

Network Layer Inter-AS tehtävät  oletetaan että reititin ryhmässä AS1 saa datagrammin jonka määränpää AS1 ulkopuolella:  reitittimen pitäisi lähettää paketti yhdyskäytävän reitittimelle, mutta mille? AS1 täytyy: 1. oppia mitkä määränpäät ovat tavoitettavissa AS2 kautta, mitkä AS3 kautta 2. toimittaa tämä tieto jokaiselle AS1 reitittimelle inter-AS reitityksen työtä! AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks

Network Layer Example: setting forwarding table in router 1d  suppose AS1 learns (via inter-AS protocol) that subnet x reachable via AS3 (gateway 1c), but not via AS2  inter-AS protocol propagates reachability info to all internal routers  router 1d determines from intra-AS routing info that its interface I is on the least cost path to 1c  installs forwarding table entry (x,I) AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks x …

Network Layer Esimerkki: reititystaulu reitittimeen 1d  oletetaan että AS1 oppii (inter-AS protokollan avulla) että aliverkko x on tavoitettavissa AS3 kautta (yhdyskäytävä 1c), mutta ei ryhmän AS2 kautta  inter-AS protokolla toimittaa tavoitettavuus tiedon kaikille sisäisille reitittimille  reititin 1d päättelee intra-AS reititys infosta että rajapinta I on paras reitti 1c:lle  asettaa edelleenlähetys tauluun merkinnän (x,I) AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks x …

Network Layer BGP messages  BGP messages exchanged between peers over TCP connection  BGP messages:  OPEN: opens TCP connection to peer and authenticates sender  UPDATE: advertises new path (or withdraws old)  KEEPALIVE: keeps connection alive in absence of UPDATES; also ACKs OPEN request  NOTIFICATION: reports errors in previous msg; also used to close connection

Network Layer BGP viestit  BGP viestejä vaihdetaan vertaisten välillä TCP yhteyden yli  BGP viestit:  OPEN: avaa TCP yhteyden vertaiseen ja authentikoi lähettäjän  UPDATE: mainostaa uutta polkua (tai vanhan poistoa)  KEEPALIVE: pitää yhteyden auki UPDATE:jen tiedottomuudesta johtuen; lähettää myös ACK OPEN- pyynnölle  NOTIFICATION: ilmoittaa virheistä edellisessä viestissä: käytetään myös yhteyden sulkemiseen

Putting it Altogether: How Does an Entry Get Into a Router’s Forwarding Table?  Answer is complicated!  Ties together hierarchical routing (Section 4.5.3) with BGP (4.6.3) and OSPF (4.6.2).  Provides nice overview of BGP!

Yhteenveto: Kuinka kirjaus päätyy reitittimen edelleenlähetys tauluun?  Vastaus on monimutkainen!  Solmii yhteen hierarkkisen reitityksen (sektio 4.5.3) BGP:n (4.6.3) ja OSPF (4.6.2) kanssa.  Hyvä yleiskatsaus BGP:sta!

1 2 3 Dest IP routing algorithms local forwarding table prefix output port / /16 212/8 ………….. 324…324… How does entry get in forwarding table? entry Assume prefix is in another AS.

1 2 3 Dest IP routing algorithms local forwarding table prefix output port / /16 212/8 ………….. 324…324… Kuinka kirjaus päätyy reitittimen edelleenlähetys tauluun entry Oletetaan että prefix on eri AS

High-level overview 1. Router becomes aware of prefix 2. Router determines output port for prefix 3. Router enters prefix-port in forwarding table How does entry get in forwarding table?

Korkean tason yleiskuva: 1. Reititin tulee tietoiseksi prefiksistä 2. Reititin päättelee ulostulo portin prefiksille 3. Reititin laittaa prefix-portin edelleenlähetystauluun Kuinka kirjaus päätyy reitittimen edelleenlähetys tauluun

Router becomes aware of prefix AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks BGP message  BGP message contains “routes”  “route” is a prefix and attributes: AS-PATH, NEXT- HOP,…  Example: route:  Prefix: /22 ; AS-PATH: AS3 AS131 ; NEXT-HOP:

Reititin tulee tietoiseksi prefiksistä AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks BGP message  BGP viestit sisältävät “reitit”  “reitti” on prefiksi ja ominaisuudet: AS-PATH, NEXT- HOP,…  Esimerkki: reitti:  Prefix: /22 ; AS-PATH: AS3 AS131 ; NEXT-HOP:

Router may receive multiple routes AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks BGP message  Router may receive multiple routes for same prefix  Has to select one route

Reititin voi saada useita reittejä AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks BGP message  Reititin voi saada useita reittejä samalle prefiksille  Valittava yksi reitti

 Router selects route based on shortest AS-PATH Select best BGP route to prefix  Example:  AS2 AS17 to /22  AS3 AS131 AS201 to /22  What if there is a tie? We’ll come back to that! select

 Reititin valitsee reitin perustuen lyhyimpään AS- PATH Parhaan BGP reitin valinta prefiksille  Esimerkki:  AS2 AS17 to /22  AS3 AS131 AS201 to /22  Mitä jos tulee tasapeli? Palaamme asiaan! valitse

Find best intra-route to BGP route  Use selected route’s NEXT-HOP attribute  Route’s NEXT-HOP attribute is the IP address of the router interface that begins the AS PATH.  Example:  AS-PATH: AS2 AS17 ; NEXT-HOP:  Router uses OSPF to find shortest path from 1c to AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks

Parhaan intra-reitin löytäminen BGP-reitille  Käytä valitun reitittimen NEXT-HOP ominaisuutta  Reitin NEXT-HOP attribuutti on IP osoite reitittimen rajapinnassa, mikä alkaa AS PATH.  Esimerkki:  AS-PATH: AS2 AS17 ; NEXT-HOP:  Reititin käyttää OSPF löytääksen lyhyimmän reitin1c AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks

Router identifies port for route  Identifies port along the OSPF shortest path  Adds prefix-port entry to its forwarding table:  ( /22, port 4) AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks router port

Reititin tunnistaa portin reitille  Tunnistaa portin OSPF lyhyimmän polun varrelta  Lisää prefix-portti kirjauksen edelleenlähetys tauluunsa:  ( /22, port 4) AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks router port

Hot Potato Routing  Suppose there two or more best inter-routes.  Then choose route with closest NEXT-HOP  Use OSPF to determine which gateway is closest  Q: From 1c, chose AS3 AS131 or AS2 AS17?  A: route AS3 AS201 since it is closer AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks

Kuuma peruna reititys  Oletetaan että on kaksi tai useampia parasta inter- reittiä.  Sitten valitaan reitti jolla läheisin NEXT-HOP  Käyttää OSPF määrittääkseen mikä porttikäytävä lähin  K: Lähtö 1c, valitaanko AS3 AS131 vai AS2 AS17?  V: reitti AS3 AS201 koska se on lähempänä AS3 AS2 3b 3c 3a AS1 1c 1a 1d 1b 2a 2c 2b other networks other networks

Summary 1. Router becomes aware of prefix  via BGP route advertisements from other routers 2. Determine router output port for prefix  Use BGP route selection to find best inter-AS route  Use OSPF to find best intra-AS route leading to best inter-AS route  Router identifies router port for that best route 3. Enter prefix-port entry in forwarding table How does entry get in forwarding table?

Yhteenveto 1. Reititin tulee tietoiseksi prefiksistä  BGP reitin mainostuksien avulla muilta reitittimiltä 2. Määrittele reitittimen ulostulo portti prefiksille  BGP reitin käyttö parhaan inter-AS reitin löytämiseksi  OSPF käyttö parhaan intra-AS reitin löytämiseksi, johtaa parhaan inter-AS reitin löytämiseen  Reititin tunnistaa reitittimen portin parhaalle reitille 3. Syöttää prefix-portti kirjauksen edelleenlähetystauluun Miten kirjaus päätyy eddelleenlähetys tauluun?

Network Layer BGP routing policy  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 A B C W X Y legend : customer network: provider network

Network Layer BGP reititys käytäntö  A,B,C ovat tarjoaja verkkoja  X,W,Y ovat asiakkaita (tarjoaja verkoille)  X on kaksi-kotinen: yhdistetty kahteen verkkoon  X ei halua reittiä C:lle B:n kautta ..joten X ei mainosta B:lle reittiä C:lle A B C W X Y legend : asiakas verkko: tarjoaja verkko

Network Layer BGP routing policy (2)  A advertises path AW to B  B advertises path BAW to X  Should B advertise path BAW to C?  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! A B C W X Y legend : customer network: provider network

Network Layer BGP reititys käytäntö(2)  A mainostaa B:lle reittiäAW  B mainostaa X:lle reittiä BAW  Pitäisikö B:n mainostaa C:lle reittiä BAW?  No ei! B ei saa ‘liikevaihtoa’ reitittäessään CBAW sillä W eikä C ole B:n asiakkaita  B haluaa pakottaa C:N reitittämään w A:n kautta  B haluaa reitittää vain sisään/pois omilta asiakkailtaan! A B C W X Y legend : asiakas verkko: tarjoaja verkko

Network Layer Why different Intra-, Inter-AS routing ? 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 performance:  intra-AS: can focus on performance  inter-AS: policy may dominate over performance

Network Layer Miksi erilaiset Intra-, Inter-AS reititykset? käytäntö:  inter-AS: järjestelmänvalvoja haluaa kontrolloida miten sen liikenne reititetään, kuka reitittää tämän verkon läpi.  intra-AS: yksi järjestelmänvalvoja, käytännön päätöksiä ei tarvita mittakaava:  hierarkkinen reititys säästää taulukoiden koossa, vähentää päivityksen liikennettä suorituskyky:  intra-AS: voi keskittyä suorituskykyyn  inter-AS: käytäntö voi dominoita suorituskykyä