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ARCHITETTURA DI UN ROUTERF Li d Francesco Licandro Architetture Avanzate di Rete

OOUTLINEB k dBackground

Cos’è un router?P hè iù l i?Perchè servono router sempre più veloci?Perchè è difficile realizzare un router?

Fr

Architetture e tecnicheIP dd l k

rancesco Lica

IP address lookup.Packet buffering.S it hi andro

Switching.L’evoluzione dell’architettura di un Router

2

Router Architectures

2

INTRODUZIONE

Una rete a commutazione di messaggi è composta interamente da elementi con funzione di mirrorche sono device denominati router bridge e

Roche sono device denominati router, bridge e

switch.Il Router serve a collegare una rete di PC ad

outer Archite

Fr

Il Router serve a collegare una rete di PC ad un'altra LAN o ad Internet mediante un collegamento di tipo LAN/ISDN/ADSL.

ecturesrancesco Licaandro

33

DISPOSITIVI DI RETER

oouter Archite

Frectures

rancesco Licaandro

44

COS’È IL ROUTING?R3R3

AR1

R4 DA R4 D

B E

C R2FR5Next HopDestinationRouter Arc

FR5

R3ER3DNext HopDestination

5hitectures

R5FR3E 5

COS’È IL ROUTING?R3R3

AR1

R4 DRoA R4 D

16 3241Total Packet LengthT ServiceHLeVer

outer Archite

B EH d Ch kP t lTTL

Fragment OffsetFlagsFragment IDTotal Packet LengthT.ServiceHLe

nVer

ytes

ectures

C R2FR5Next HopDestinationD ti ti Add

Source AddressHeader ChecksumProtocolTTL

20 b

y

FR5

R3ER3DNext HopDestination

DOptions (if any)

Destination Address

6

R5FR3E Data 6

COS’È IL ROUTING?R3

AR1

R3

R4 DRoA R4 Douter A

rchite

B E

ectures

C R2FR5 FR5

77

POINTS OF PRESENCE (POPS)POP3

APOP1

POP3POP2

POP4 DRoA POP4 Douter A

rchite

B EPOP5

ectures

CF

POP6 POP7POP8 FPOP8

88

DOVE VENGONO UTILIZZATI I ROUTERS ADALTE PRESTAZIUONI

R2R1 R6(10 Gb/s)(10 Gb/s)

R4R5

R1 R6

R3 R7

( )

R10R9

R3 R7

R8 R10 R11R12

R14R8

Router Arc

R13R16

R15 9hitectures

(10 Gb/s)(10 Gb/s)

9

COME APPARE UN CORE-ROUTERCisco GSR 12416 Juniper M160sco GS 6 Jun p r M 6

19” 19” Ro

Capacità: 160Gb/s Capacità: 80Gb/s

outer Archite

6ft

Capacità: 160Gb/sPotenza: 4.2kWFull rack

Capacità: 80Gb/sPotenza: 2.6kWHalf-a-rack

ectures

6ft 3ft

102ft 2.5ft

10

FUNZIONI DEL ROUTERLe funzioni principali dei router sono:

Commutazione del trafficoDNS (Domain Name Ser ice)

RoDNS (Domain Name Service)

Mantenimento dell’ambiente e memorizzare le relative valutazioni nella tabella di routing

outer Archite

Frectures

rancesco Licaandro

1111

TABELLE DI ROUTING Le tabelle di routing includono:serie di indirizzi esistenti sulla rete (Destin. Address);la porta verso cui inoltrare il pacchetto (interface) ;

Rola porta verso cui inoltrare il pacchetto (interface) ;

i dati necessari per acquisire un messaggio su un router più vicino alla destinazione (Hops);

outer Archite

Fr

i dati di routing (la metrica, una misura amministrativa del tempo o della distanza), e diversi contrassegni temporali.


1212

COS’ E’ UN ROUTERSono dispositivi atti alla connessione tra vari host di una LAN ad altre reti (LAN WAN INTERNET)

Ro(LAN, WAN, INTERNET)

I ROUTER possono essere

outer Archite

Fr

I ROUTER possono essere ecturesrancesco Licaandro

1313

ROUTER SOFTWARETalvolta denominati gateway, sono programmi gestiscono il traffico tra calcolatori e le connessioni tra LAN

Roconnessioni tra LAN.

Esistono architetture programmabili ed estendibile di router software

outer Archite

Fr

estendibile di router software Zebra Quagga

ecturesrancesco Lica

Q ggClick

andro

1414

ROUTER HARDWAREUn router hardware è un computer a tutti gli effetti ed è composta dai seguenti elementi:

(CPU)

Roun processore (CPU);

vari tipi di memoria, le quali vengono utilizzate per immagazzinare le informazioni;

outer Archite

Fr

g ;un sistema operativo;varie porte ed interfacce per connettersi a dispositivi


periferici e per comunicare con altri computer.

andro

1515

CISCO SYSTEMSCisco Systems è conosciuta come la Regina di Internet, è una delle più grandi multinazionali del mondo è leader nel settore tecnologico per le

Rodel mondo, è leader nel settore tecnologico per le

infrastrutture e i servizi di rete.fondata da un gruppo di scienziati della Stanford

outer Archite

Fr

fondata da un gruppo di scienziati della Stanford University nel 1984;ha sede negli Stati Uniti, nel cuore della SiliconV ll


Valley;ad oggi controlla più dell'80% del mercato dei router;Migliaia di società private service provider enti andro

Migliaia di società private, service provider, enti governativi, sia in Italia che nel mondo, basano le loro infrastrutture di rete sulle soluzioni Cisco S 16Systems. 16

ARCHITETTURA BASE DI UN IP ROUTER

Routing Protocols

Control PlaneRoutingTable

DatapathDatapathper-packet processing

SwitchingForwardingTable

Packets Input Packets Output

Router Arc

p g

17hitectures

17

UN ESEMPIO: CATALYST 6506R

oouter Architeectures

1818

PORCESSAMENTO DEI DATI

Header ProcessingD t Hd D t Hd

LookupIP Address

UpdateHeader

Data Hdr Data Hdr

Coda

IP Address Next Hop

~1M prefixesOff hi DRAM

Address Buffer ~1M packetsOff hi DRAM

Router Arc

Off-chip DRAM Table Memory Off-chip DRAM

19hitectures

19

SCHEMA GENERICO DI UN ROUTER

Lookup UpdateHeader ProcessingData Hdr Buffer Data HdrLookup

IP AddressUpdateHeader

AddressTable

Manager

BufferMemory

Ro

LookupIP Add

UpdateH d

Header Processing

Table

Data Hdr

Memory

BufferManager

Data Hdr

outer Archite

IP Address Header

AddressTable

Manager

BufferMemoryData Hdr

ectures

Data Hdr

20

LookupIP Address

UpdateHeader

Header ProcessingData Hdr BufferManager

B ff 20Address

Table

BufferMemory

PROCESSAMENTO PER PACCHETTO IN UNIP ROUTER

Ri i h tti i i d l li k1. Riceve i pacchetti in ingresso dal link.

2 L k Ri d ll’i di i di d ti i2. Lookup: Ricerca dell’indirizzso di destinazionedei pacchetti ed identifica la prota di suscita in base alle tabella di routing.

Fr

g3. Header Processing: modifica dell’header dei

pacchetti : ad es., decremento del campo TTL d t d l h k rancesco Lica

TTL, update del checksum.4. Switching: Invio del pacchetto verso la porte

di uscita andro

di uscita.5. Buffering: Accoda i pacchetti6. Invio dei pacchetti sul link di uscsita. 21


p 21

COMPONENTI DI UN ROUTERI componenti di un router giocano un ruolo chiave nel processo di configurazione. Sapere quali componenti sono coinvolti nel processo di

Rocomponenti sono coinvolti nel processo di

configurazione permette di capire come il router immagazzina ed utilizza i comandi eseguiti

outer Archite

Fr

g gdall’utente.


2222

COMPONENTI DI UN ROUTERLe Interfacce di rete sono le

Ro

Le Interfacce di rete sono le connessioni di rete sulla scheda madre del router, e sono: outer A

rchite

AUI: interfaccia Ethernet di tipo AUI (attachment unit interface);10BaseT/100BaseT: interfaccia Eth t

ectures

Ethernet;SERIALE: interfaccia seriale sincrona (da collegare, con apposito cavo proprietario, a pp p p ,modem sincroni con interfaccia V.35);BRI: interfaccia verso un accesso base ISDN;

23

base ISDN;ATM: interfaccia ATM, in fibra oppure in rame.

23

ALTRI COMPONENTIRAM : nella RAM si trova la configurazione "corrente" del RAM : nella RAM si trova la configurazione "corrente" del router e le varie variabili temporanee necessarie al router per il suo funzionamento: tabelle di routing, arp cache e il buffer riempito dai pacchetti in coda. Il contenuto della RAM viene R

o

perso in fase di spegnimento o riavvio del router (memoria di tipo "volatile") . NVRAM (non volatile RAM): preserva la configurazione utile allo startup e al backup Contiene il registro di configurazione

outer Archite

Fr

allo startup e al backup. Contiene il registro di configurazione. Non viene persa in caso di spegnimento del router; FLASH: è la memoria di tipo "permanente", nella quale si trova il sistema operativo (Internetwork Operating System -


trova il sistema operativo (Internetwork Operating System IOS). Nella memoria Flash possono essere salvate diverse versioni dell'IOS; ROM: è la memoria nella quale si trova il software di di ti il ft di b d l t (f d t l t andro

diagnostica e il software di base del router (fondamentalmente quello necessario al boot dell'apparato); l’aggiornamento software nella ROM richiede la rimozione e sostituzione dei chip sulla CPU. 24p 24

MICROPROCESSOREIl componente che sovreintende al funzionamento di tutto Il componente che sovreintende al funzionamento di tutto l'apparato è il:Microprocessore: la sua potenza varia a seconda della versione del router e della classe a cui l'apparato appartiene. R

opp ppDiversi router Cisco montano più di una CPU. I compiti svolti dal microprocessore sono fondamentalmente i seguenti:

instradare i pacchetti (processo di forwarding) provenienti dalle varie interfacce di input e determinare l'interfaccia di uscita dove

outer Archite

Fr

varie interfacce di input e determinare l'interfaccia di uscita dove inoltrare gli stessi;calcololare le tabelle di instradamento e l'aggiornamento dei dati di routing;


ggarantire il controllo delle funzioni del router e permetterne la gestione (attraverso i comandi dell'amministratore).

In aggiunta ai componenti del router andro

25

possiamo trovare delle Schede di espansione che si inseriscono in appositi alloggiamenti (slot) e ospitano vari tipi di

25interfacce fisiche (Ethernet, modem ecc.), nonchè eventuali moduli avanzati.

IL SISTEMA OPERATIVOUna ersione sal ata di questo file di configura ione è Una versione salvata di questo file di configurazione è immagazzinato nella NVRAM in modo permanente e viene caricato nella memoria principale RAM ogni volta che il router viene acceso. R

oouter Archite

L’immagine del sistema operativo IOS non può essere visualizzata sul terminale.

Frectures

visualizzata sul terminale. L’immagine viene eseguita dalla memoria RAM e caricata da uno delle diverse origini di input. rancesco Lica

g pIl sistema operativo è strutturato in modo da eseguire delle operazioni come lo spostamento andro

26

dei dati, la gestione delle tabelle e dei buffer, gli aggiornamenti degli instradamenti e

26l’esecuzione dei comandi utente.

CHE COSA CONTIENE UN ROUTERIl it f d t l di t è ll di t f i Il compito fondamentale di un router è quello di trasferire un datagram da un link di ingresso all’appropriato link di uscitaUna vista generale dell’architettura di un generico router è

RoUna vista generale dell architettura di un generico router è

mostrata in figura

outer Archite

Porta di Ingresso Porta di Uscita

Frectures

Struttura del rancesco Lica

Struttura del commutatore

(switchingfabric)

Porta di Ingresso Porta di Uscita

andro

2727Processore di

Instradamento

COMPONENTI DI UN ROUTER

P t di i tt l’ tili d llPorte di ingresso: permettono l’utilizzo dellostrato fisico e dello strato del link dati. Inoltre svolgono funzioni di ricerca e di inoltro. Ad esempio i pacchetti di controllo (per esempio che trasportano

Ropacchetti di controllo (per esempio che trasportano

informazioni del protocollo di instradamento per RIP, OSPF o BGP) sono inoltrati dalla porta di ingresso al processore di instradamento

outer Archite

Fr

ingresso al processore di instradamentoStruttura del commutatore: collega le porte di ingresso del router con alle sue porte di uscita


Porte di uscita: immagazzina i pacchetti che le sono stati passati e poi li trasmette sulle porte di uscita. In poche parole compie all’inverso le f i li à d ll di i

andro

funzionalità delle porte di ingressoProcessore di instradamento: esegue il protocollo di instradamento mediante tabelle di routing

2828

PORTE DI INGRESSO

L f i d ll t di i è llLa funzione della porta di ingresso è quelladi determinare il segnale di linea della porta e l’elaborazione del link dati implementato dagli strati R

o

fisico e del link dati.La funzione di ricerca/inoltro (lookup/forwarding) è centrale nella funzione di commutazione dei router

outer Archite

Fr

centrale nella funzione di commutazione dei router.La scelta della porta di uscita è effettuata usando le informazioni contenute nella tabella di i t d t

ecturesStru rancesco Lica

instradamento.

El b i li k Ricerca,

uttura de andro

29

Terminazione di linea

Elaborazione link dati

(protocollo, decapsulamento )

,Inoltro,

Accodamento

el comm

u 29

Elaborazione della porta di ingresso

utatore

PORTE DI INGRESSO

Benché la tabella di instradamento sia l l t d l di i d

Ro

calcolata dal processore di instradamento, una sua copia ombra è tipicamente immagazzinata in ciascuna porta di ingresso ed aggiornata dal

outer Archite

Fr

ciascuna porta di ingresso ed aggiornata dal processore di instradamento.In questo modo le decisioni di commutazione


In questo modo le decisioni di commutazione possono essere prese localmente. A ciascuna porta di ingresso, senza richiedere l’intervento androdel processore di instradamento.

3030

PORTE DI INGRESSO

Nei router con scarsa capacità di elaborazione alle porte di ingresso, queste possono semplicemente inoltrare il pacchetto al

Ropossono semplicemente inoltrare il pacchetto al

processore di instradamento, che effettua la ricerca nella tabella di instradamento e invierà il

outer Archite

Fr

pacchetto all’appropriata porta di uscitaData l’esistenza di una tabella di instradamento,


la ricerca in questa tabella è concettualmente semplice:

andro

Bisogna cercare all’interno della tabella l’ingresso relativo a una destinazione che meglio si accorda con l’indirizzo della rete di destinazione 3131

VELOCITÀ DI UN ROUTER

L’elaborazione eseguita dalla porta di ingresso è desiderabile che avvenga a velocità lineare (line speed) cioè che una ricerca possa essere

Ro(line speed), cioè, che una ricerca possa essere

eseguita in meno tempo di quello richiesto per ricevere un pacchetto alla porta di ingresso.

outer Archite

Fr

p p gPer dare un’idea delle prestazioni richieste per una ricerca, con un link a 2.5 Gbit/s e pacchetti


lunghi 256 byte si ha un tasso di circa 1 milione di ricerche la secondo.

andro

3232

DA COSA DIPENDE LA VELOCITÀ DI UNROUTER

Esistono tre potenziali colli di bottiglia chelimitano le prestazioni di un router: R

o

Ricerca degli indirizzi (Address lookup),Packet bufferingS

outer Archite

Switching.Diemensione dei pacchetti dati

ectures

3333

IP ADDRESS LOOKUP

128.9.176.0/24 Ro

128.9.16.0/21 128.9.172.0/21

128 9 0 0/16142.12.0.0/1965.0.0.0/8

outer Archite128.9.0.0/16 ectures

0 232-1128.9.16.14

Routing lookup: Trovare il prefisso di corrispondenza più lungo ( l'itinerario più specifico) fra tutti i prefissi che corrispondono all'indirizzo di destinazione.. 3434

INDIRIZZAMENTO IPINDIRIZZAMENTO IPCLASSLESS INTERDOMAIN ROUTING (CIDR)

Lo spazio degli indirizzi IP è diviso in segmenti.Ogni segmento è descritto da un prefisso.Un prefisso è nella forma x/y dove x indica Il prefisso di tutti gliindirizzi allaprtentei a quella linea di segmento, e y indica la lunghezzadi quel segmento.di quel segmento.

es.: Il prefisso 128.9/16 rappresenta la linea di segmento contenenetegli indirizizzi compresi tra 128.9.0.0 e 128.9.255.255.

Fr

128.9.0.0

rancesco Lica

0 232 1

128.9/1665/8

andro

0 232-1216

128 9 16 14 35


128.9.16.14 35

INDIRIZZAMENTO IPR OCLASSLESS INTERDOMAIN ROUTING (CIDR)

128=2^79=2^3+2^016=2^4 ⇒ 128.9.16.14 = 10000000.00001001.00010000.00001110

76543210

16 2 414=2^3+2^2+2^1

128.9/16 =1000000.00001001.xxxxxxxx.xxxxxxxx

Fr

128.9.0.0

rancesco Lica

0 232 1

128.9/1665/8

andro

0 232-1216

128 9 16 14 36


128.9.16.14 36

SCHEMA DEL BLOCCO DI RICERCAR

oouter Archite

Frectures

rancesco Licaandro

3737

AUMENTO DELLE DIEMSIONI DELLETABELLE DUI ROUTING

Dimensionielevate delletabelle dirouting : circa R

o

150.000 entries nel 2005;

outer Archite

Il lookup deveessere veloce: circa 30 ns per

li d

ectures

una linea da10Gb/s

3838Source: http://www.cidr-report.org/

VELOCITÀ DI LOOKUPS

Pacchettid 40 B t

LineaAnno Ro

da 40 Byte(Mpkt/s)

outer Archite

7.812.5Gb/s19991.94622Mb/s1997

ectures

12540Gb/s200331.2510Gb/s20017.812.5Gb/s1999

12540Gb/s2003

500160Gb/s2006? 3939

ALBERI DI RICERCAUna tecnica per risol ere il problema della ricerca è quella di Una tecnica per risolvere il problema della ricerca è quella di immagazzinare gli ingressi delle tabelle di instradamento in una struttura ad albero. Ciascun livello nell’albero corrisponde a una bit nell’indirizzo di destinazione. Per cercare un R

o

indirizzo, si parte semplicemente dal nodo base dell’albero. Se il primo è uno 0, allora il sottoalbero di sinistra conterrà l’ingresso della tabella per un indirizzo di destinazione; altrimenti si troverà nel sottoalbero di destra.

outer Archite

Fr

troverà nel sottoalbero di destra.Allo stesso modo di procede per tutti i bit dell’indirizzo e l’indirizzo di destinazione viene trovato dopo N passi (dove N è il numero di bit che forma l’indirizzo)


0

00

1

1 andro

40

0

0

0

0

1

1 1

40

AUMENTO DELLA VELOCITÀ DI RICERCA

Molte tecniche sono state indagate per ottenere un aumento della velocità di ricerca (lookup). Le attuali memorie indirizzabili (CAM) permettono

Roattuali memorie indirizzabili (CAM) permettono

ad un indirizzo IP a 32 bit di essere presentato alla CAM in tempo praticamente costante.

outer Archite

Fr

p pLa serie router Cisco 8500 ha 64K di CAM per ciascuna porta di ingresso


Un’altra tecnica è quella di mantenere le tabelle di istradamento di recente accesso in cache [Feld eie 1988] andro

[Feldmeier 1988]

4141

STRUTTURA DELCOMMUTATORE

Una volta determinata la porta di uscita,il pacchetto viene inoltrato alla struttura di commutazione

Rocommutazione

Attraverso questa struttura i pacchetti sono realmente spostati da una porta di ingresso a una

outer Archite

Fr

realmente spostati da una porta di ingresso a una di uscitaLa commutazione può essere eseguita in diversi


La commutazione può essere eseguita in diversi modi:

Commutazione attraverso la memoria androCommutazione per mezzo di un busCommutazione attraverso una rete intercollegata

4242

COMMUTAZIONE ATTRAVERSO LAMEMORIA

I R t iù li i h i l t i t I Router più semplici hanno ricevono la commutazione tra le porte attraverso il controllo della CPU.Una porta di ingresso con un pacchetto in arrivo segnala l’evento la processore di instradamento attraverso

Rol evento la processore di instradamento attraverso

interrupt. Il pacchetto viene copiata dalla porta di ingresso alla porta di uscita attraverso la memoria

outer Archite

Fr

di uscita attraverso la memoriaLa velocità di elaborazione è pari a B/2 pacchetti/s, dove Brappresenta la velocità di scrittura della memoria

ecturesrancesco LicaA X andro

43

MEMORIAB Y

43

C Z

COMMUTAZIONE PER MEZZO DI UN BUS

L t di i t f i h tt La porta di ingresso trasferisce un pacchetto direttamente sulla porta di uscita su un bus condivisoSe un pacchetto in arrivo a una porta in ingresso R

op p gtrova il bus occupato viene bloccato ed accodato.La velocità è limitata dalla velocità del BUSL l i à di l i Gbi /S è ffi i i

outer Archite

Fr

La velocità di alcuni Gbit/S è sufficiente per i router che operano in reti di accesso o aziendali

ecturesrancesco LicaA X andro

44B Y

44

C ZBUS

COMMUTAZIONE ATTRAVERSO UNA RETEINTERCOLLEGATA

U t t Un commutatore CROSSBAR è una rete di interconnessione che consiste in 2N bus che

Ro

CROSSBAR

consiste in 2N bus che connettono N porte di ingresso con N porte di uscita

outer Archite

A

B

Fr

uscitaAnche questo caso si il bus di uscita è occupato il pacchetto in ingresso è

ectures

B

C rancesco Lica

il pacchetto in ingresso è accodato sulla porta di ingressoI commutatori della

Z Y X

andro

I commutatori della famiglia Cisco 12000 usano una rete che fornisce oltre 60 Gbit/s 45fornisce oltre 60 Gbit/s 45

PORTE DI USCITA

L t di it l i d t hLa porta di uscita preleva i datagram chesono stati immagazzinati nella memoriadella porta di uscita e li trasmette sul link in uscita.L ti d ll’ d t d l b ff

Ro

La gestione dell’accodamento e del buffer sono necessarie quando la struttura del commutatore invia pacchetti alla porta di uscita a un tasso che supera quello del link

outer Archite

Fr

quello del linkPossono essere implementate diverse politiche di scheduling e di gestione dinamica della coda per la Q S


QoS

Accodamento El b i li k del

to

reandro

46

(gestione buffer) Elaborazione link dati

(protocollo, decapsulamento )

Terminazione di linea

trut

tura

om

mut

at

46St co

Elaborazione della porta di Uscita

DOVE SI VERIFICA L’ACCODAMENTO?L d di h tti i f i ll t Le code di pacchetti si possono formare sia nelle porte di ingresso che nelle porte di uscitaE’ importante considerare queste code perché al loro R

op q pcrescere, lo spazio di buffer del router potrebbe esaurirsi e potrebbe intervenire la perdita dei pacchetti

outer Archite

Fr

pacchetti.E’ qui, in queste code all’interno dei router, che i pacchetti sono scartati


Se si ipotizza che le velocità delle porte in ingresso e quelle di uscita siano uguali e che esistono n porte in ingresso ed n porte di uscita si deve avere che la andro

g pvelocità della struttura di commutazione deve essere almeno n volte superiore alla velocità delle linee di ingresso per non avere nessun accodamento 47ingresso per non avere nessun accodamento. 47

GENERIC ROUTER ARCHITECTURELookup Update

Header Processing QueueData Hdr 1 1Lookup


AddressTable

Packet

BufferMemory

RoTable

LookupIP Add

UpdateH d

Header Processing

Memory

QueuePacket

Data Hdr 2 2 N times line rate

outer Archite

IP Address Header

AddressTable

Packet

BufferMemory

ectures

Header ProcessingD Hd N N

N times line rate

LookupIP Address

UpdateHeader

Header Processing

dd

QueuePacket

B ff

Data Hdr N N

48AddressTable

BufferMemory

48

GENERIC ROUTER ARCHITECTURELookup Update

Header ProcessingQueueData Hdr 1 1Lookup


AddressTable

QueuePacket

BufferM

1 1

Data HdrTable

LookupIP Add

UpdateH d

Header Processing

Memory

QueueP k t

Data Hdr 2 2 Data Hdr

Data Hdr

IP Address Header

AddressTable

Packet

BufferMemory

Header Processing

y

D Hd SchedulerRouter Arc

LookupIP Address

UpdateHeader

Header Processing

dd

QueuePacket

Data HdrN N

Scheduler

49hitectures

AddressTable Buffer

MemoryData Hdr49

PERFORMANCE DELL'APPARATOLa potenza di un router (intesa come numero di pacchetti al secondo La potenza di un router (intesa come numero di pacchetti al secondo inoltrati) è variabile a seconda di alcune scelte architetturali del router stesso:

i router di fascia bassa dispongono, generalmente, di schede (interfacce) a funzionalità limitata Tutto il lavoro viene demandato alla CPU

Rofunzionalità limitata. Tutto il lavoro viene demandato alla CPU

centrale, la cui potenza può essere variabile a seconda delle prestazioni richieste; i router di fascia media dispongono di schede intelligenti che montano, esse stesse, una CPU a bordo. Queste CPU svolgono autonomamente una

outer Archite

Fr

, Q gconsistente parte del processo di forwarding e la CPU centrale, svincolata da alcuni oneri, si dedica al calcolo delle tabelle di routing e alla gestione dell' apparato; i router di fascia più alta dispongono di schede particolari che gestiscono il

oce o di fo a di g di etta e te a li ello ha d a e


processo di forwarding direttamente a livello hardware. Il segreto del successo dei router Cisco è, comunque, legato al sistema di gestione. La potenza, da tutti riconosciuta, del sistema operativo (Internetwork Operating System - IOS) è garanzia di funzionalità e

t i i ll ti Q t i t ( h i i d ll i andro

prestazioni ecellenti. Questo sistema (che risiede nella memoria Flash) permette, attraverso appositi comandi, di configurare l'apparato secondo le necessità dell'utente. L'IOS non è semplice ed intuitivo, ma molto potente.

5050

IL LAVORO DELLA RAM NEL ROUTER

Quando viene acceso il router, la ROMesegue un programma di avvio (bootstrap) Questo

Roesegue un programma di avvio (bootstrap). Questo

programma avvia alcuni test e successivamente carica il software Cisco IOS nella memoria. Il componente EXEC (command executive) che fa

outer Archite

Fr

componente EXEC (command executive) che fa parte dell’ IOS riceve ed esegue i comandi che vengono immessi dall’utente. Un router utilizza la RAM per caricare il file di


Un router utilizza la RAM per caricare il file di configurazione del router, file che contiene processi e informazioni sulle interfacce che direttamente influiscono sul funzionamento del andro

direttamente influiscono sul funzionamento del router; nella RAM sono caricate anche le tabelle di rete mappate e l’elenco degli indirizzi del routing. 51g 51

ANCHE I LA DIMENSIONE DEI PACCHETTIINFLUISCE SULLE PRESTAZIONI

Roouter A

rchiteFr


5252

PERCHÈ SERVONO ROUTER SEMPRE PIÙPERCHÈ SERVONO ROUTER SEMPRE PIÙVELOCI?

1. Evitare che i router diventino il collo dibottiglia della rete Internet.

2. Per aumentare la capacità dei POP capacity, riducendo I costi le dimensioni e and to reduce

Fr

riducendo I costi le dimensioni e and to reduce cost, size and power.

rancesco Licaandro

53


53

PERCHÈ SERVONO ROUTER PIÙ VELOCI1: EVITARE CHE I ROTER DIVENTINO COLLI DI1: EVITARE CHE I ROTER DIVENTINO COLLI DIBOTTIGLIA DELLA RETE (BOTTLENECK)

Single Fiber Capacity10000

Packet Processing PowerSingle Fiber Capacity

(commercial)

2 / 1000

resu

lts

2x / 18 months

≥ 2x / year

10

100

c95I

nt C

PU r

1

10

1985 1990 1995 2000

Spe

Router Arc

0,1

1985 1990 1995 2000

54hitectures

Source: SPEC95Int & Coffman and Odlyzko.

54

PERCHÈ SERVONO ROUTER PIÙ VELOCI2: RIDURRE COSTI POTENZAE COMPLESSITÀ DEI

POP with smaller routers

2: RIDURRE COSTI, POTENZAE COMPLESSITÀ DEIPOP

POP with large routers POP with smaller routersPOP with large routers

Roouter A

rchiteectures

Porte: Prezzo >$50k, Potenza > 400W. Normalmente il 50-60% delle porte viene usato per le 55Normalmente il 50 60% delle porte viene usato per le interconnessioni

55

PERCHÈ È DIFFICILE REALIZZARE ROUTERSEMPRE PIÙ VELOCI

1. La difficoltà viene dalla legge di Moore:Il limite è dato dalla velocità della memoria.La velocità di accesso alla Memoria non segue la leggeMoore

2 La legge di Moore è troppo lenta:2. La legge di Moore è troppo lenta:I Routers necerssitano di velocità sempre più maggioririspetto a quanto dettato dalla legge di Moorerispetto a quanto dettato dalla legge di Moore

Router Arc56hitectures

56

LA LEGGE DI MOORELe prestazioni dei processori e il

Ro

Le prestazioni dei processori, e il numero di transistor ad esso relativo, raddoppiano ogni 18 mesi.Crescita del numero di transistor per processori Intel (puntini) e legge outer A

rchite

per processori Intel (puntini) e legge di Moore (linea superiore=18 mesi; linea inferiore=24 mesi)

•Nel 1965 Moore suppose che le ectures

•Nel 1965 Moore suppose che le prestazioni dei microprocessori sarebbero raddoppiate ogni 12 mesi. •Nel 1975 questa previsione si rivelò •Nel 1975 questa previsione si rivelò corretta e prima della fine del decennio i tempi si allungarono a 2 anni, periodo che rimarrà valido per tutti gli anni Ottanta

57

tutti gli anni Ottanta. •La legge viene riformulata alla fine degli anni Ottanta ed elaborata nella sua forma definitiva, ovvero le prestazione dei processori 57prestazione dei processori raddoppiano ogni 18 mesi.

LA LEGGE DI MOORE – ORAR

oouter Architeectures

5858

PERCHÈ È DIFFICILE REALIZZARE ROUTERSEMPRE PIÙ VELOCISEMPRE PIÙ VELOCIVELOCITÀ DELLA DRAM IN COMMERCIO

1. It’s hard to keep up with Moore’s Law:The bottleneck is memory speed.1000

1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001

Memory speed is not keeping up with Moore’s Law.100

ns)

1 1x / 18 months

10

ime

(n 1.1x / 18 months

1

cess

T Moore’s Law2x / 18 months

Router Arc

0,1Acc

59hitectures

0,0159

LE PRESTAZIONI DEI ROUTER SUPERANOLA LEGGE DI MOORE

Crescita delle capacità dei router in commercio :Capacità nel 1992 ~ 2Gb/sC ità l 1995 10Gb/

Ro

Capacità nel 1995 ~ 10Gb/sCapacità nel 1998 ~ 40Gb/sCapacità nel 2001 ~ 160Gb/s

outer ArchiteCapacità nel 2001 160Gb/s

Capacità nel 2003 ~ 640Gb/s

ectures

Si ha avuto un tasso di aumento pari al 2.2x / 18 mesi

6060

RouteCPU BufferShared BackplaneROUTERS DI PRIMA GENERAZIONE

RouteTableCPU Buffer

Memoryp

Ro

Li Li Li

outer Archite

LineInterface

MAC

LineInterface

MAC

LineInterface

MAC

ectures

Tipicamente capacità < 0.5Gb/s 61p p 61

RouteCPU Buffer

ROUTERS DI SECONDA GENERAZIONE

TableCPU Memory

Ro

LineCard

LineCard

LineCard

outer ArchiteCard

BufferMemory

Card

BufferMemory

Card

BufferMemory

ectures

MAC MAC

FwdingCache

FwdingCache

FwdingCache

MAC

Tipicamente capacità < 5Gb/s 62Tipicamente capacità < 5Gb/s 62

ROUTERS DI TERZA GENERAZIONE

Switched Backplane

Ro

LineCard

CPUCard

LineCard

outer Archite

LocalBufferMemory

LocalBufferMemory

RoutingTable

ectures

MAC MAC

FwdingTable

FwdingTable

Tipicamente capacità < 50Gb/s 63p camente capac tà 50Gb/s 63

ROUTERS DI QUARTA GENERAZIONEQMULTI-RACKS, OPTICAL LINKS

Optical linksOptical links

100sof metres

Router ArcSwitch Core Linecards64hite

ctures0.3 - 10Tb/s routers64

(FUTURO) ROUTER DI QUINTAGENERAZIONEGENERAZIONEOPTICAL SWITCH CORE


100sof metres

Router ArcOptical Switch Core Linecards65hite

ctures10-100Tb/s routers, in project65

(FUTURO) ROUTER DI SESTAGENERAZIONEGENERAZIONEALL-OPTICAL ROUTERS


100sof metres

Router ArcOptical Switch Core Optical Linecards66hite

ctures100-1000Tb/s routers, in the far future66

architettura di un outer - diit.unict.it di un... · switching. l’evoluzione ... yi dati di...

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