Slides TD IV - clases (26)

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TD4 2022TD4 2022
Objetivos
▪ Entender los conceptos detrás 
de los servicios de la capa de 
red, focalizando en el plano de 
datos:
• Modelos de servicio del nivel de 
red
• Reenvío (forwarding) vs. ruteo 
(routing)
• Cómo funciona un router
• Direccionamiento
• Arquitectura de Internet
▪ Instanciación e 
implementación en Internet
• El protocolo IP
• NAT
• Middleboxes
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TD4 2022TD4 2022
Servicios del nivel de red
▪ Transporte de segmentos entre un host 
emisor y un host receptor
• emisor: encapsula segmentos dentro de 
datagramas, luego pasados al nivel de enlace
• receptor: entrega segmentos al protocolo del 
nivel de transporte
▪ Los protocolos del nivel de red están en 
todos los dispositivos de Internet (hosts y 
routers)
▪ Los routers:
• Inspeccionan el header de todos los 
datagramas IP en circulación en sus interfaces
• Trasladan datagramas desde puertos de 
entrada hacia puertos de salida
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
aplicación
transporte
red
enlace
física
aplicación
transporte
red
enlace
física
 
 
 
red
enlace
física
red
enlace
física
red
enlace
física
red
enlace
física red
enlace
física
 
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TD4 2022TD4 2022
Funciones esenciales del nivel de red
Funciones del nivel de red
▪ Reenvío (forwarding): trasladar 
paquetes desde un enlace de 
entrada hacia el enlace de salida 
adecuado
Analogía: viajes en auto
▪ Forwarding: proceso de atravesar 
una intersección vial
▪ Routing: proceso de planificar el 
viaje desde el origen hasta el 
destino▪ Ruteo (routing): determinar la 
ruta que toman los paquetes 
desde el origen hasta el destino
• Computada por algoritmos de 
ruteo
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TD4 2022TD4 2022
Plano de datos y plano de control
Plano de datos
▪ Función local de cada router
▪ Determina cómo se 
redirecciona un datagrama 
desde un puerto de entrada 
hacia uno de salida
Plano de control
▪ Función global de la red
▪ Determina cómo se encamina 
un datagrama entre distintos 
routers a lo largo de la red
1
2
3
0111
valores en el header 
del paquete
▪ Dos enfoques:
• Algoritmos de ruteo tradicionales: 
implementados en los routers
• Software-defined networking 
(SDN): implementado en 
servidores remotos
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TD4 2022TD4 2022
Plano de control en cada router
Algoritmos de ruteo distribuidos, implementados en todos los 
routers e interactuando entre sí
algoritmo
de ruteo
plano de datos
plano de control
1
2
0111
valores en el header 
del paquete
3
7
tabla de
forwarding local
TD4 2022TD4 2022
Plano de control vía SDN
Un controlador remoto computa e instala las tablas de forwarding en los 
routers
controlador remoto
CA
CA CA CA CA
valores en el header 
del paquete
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plano de datos
plano de control
1
2
0111
3
TD4 2022TD4 2022
Modelo de servicio del nivel de red
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▪En Internet, el nivel de red ofrece 
un servicio best-effort
▪ Sin garantías de:
■ Entrega de datagramas
■ Ordenamiento y/o tiempos de 
entrega
■ Capacidad disponible para flujos 
punto a punto
▪ Otras arquitecturas de redes 
implementan modelos de servicio 
más sofisticados (e.g. ATM)
▪Entonces, ¿por qué un servicio 
best-effort?
■ Simplicidad; facilidad de adopción e 
instalación
■ La combinación con las 
funcionalidades de los protocolos de 
nivel superior demostró buenos 
resultados (e.g. performance 
adecuada para apps de streaming, 
videoconferencias, etc.)
TD4 2022TD4 2022 10
Arquitectura de routers
TD4 2022TD4 2022
Arquitectura de un router: vista general
Vista de alto nivel de la arquitectura de un router
matriz de 
conmutación 
(fabric)
procesador
de ruteo
puertos de entrada 
(input ports)
puertos de salida 
(output ports)
forwarding
plano de datos (hardware) 
opera en el orden de los 
nanosegundos
ruteo, administración
plano de control (software)
opera en el orden de los 
milisegundos
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TD4 2022TD4 2022
Funciones de los puertos de entrada
switch
fabric
terminación 
de línea
capa física:
recepción de bits
protocolo 
de enlace
capa de enlace:
e.g. Ethernet
búsqueda,
forwarding
encolamiento
switching descentralizado: 
▪ Utilizando los valores del header, buscar el puerto de 
salida en la tabla de forwarding copiada en la memoria 
del puerto de entrada
▪ Se produce encolamiento si los datagramas llegan más 
rápido que la tasa de forwarding hacia la matriz de 
conmutación
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TD4 2022TD4 2022
Funciones de los puertos de entrada
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protocolo 
de enlace
capa de enlace:
e.g. Ethernet
terminación 
de línea
capa física:
recepción de bits
búsqueda,
forwarding
encolamiento
switching descentralizado: 
▪ Utilizando los valores del header, buscar el puerto de 
salida en la tabla de forwarding copiada en la memoria 
del puerto de entrada
▪ Destination-based forwarding: tradicional; sólo utiliza la 
dirección IP destino
▪ Forwarding generalizado: utiliza otros valores del header
switch
fabric
TD4 2022TD4 2022
Destination-based forwarding
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 Rango de direcciones destino
11001000 00010111 0001000 00000000
A
11001000 00010111 0001000 11111111
11001000 00010111 0001100 00000000
A
11001000 00010111 0001100 11111111
11001000 00010111 0001101 00000000
A
11001000 00010111 0001111 00000000
en otro caso 
 Interfaz
 
 0
 
 1
 
 2
 
 3
TD4 2022TD4 2022
Coincidencia de prefijo más largo
al buscar la entrada en la tabla de forwarding para una 
dirección destino dada, utilizar la del prefijo más largo
que coincida con dicha dirección
coincidencia de prefijo más largo
 Rango de direcciones destino
11001000 00010111 00010
11001000 00010111 00011000
11001000 00010111 00011
en otro caso 
 Interfaz
 0
 1
 2
 3
***********
***********
********
11001000 00010111 00011000 10101010 
ejemplos:
?
?
11001000 00010111 00010110 10100001 
15
0
1
TD4 2022TD4 2022
▪ La razón detrás del uso de esta estrategia radica en cómo 
funciona el direccionamiento en Internet (lo veremos más 
adelante).
▪ Típicamente, esto se implementa con un hardware 
especializado–TCAMs (Ternary Content Addressable 
Memories)
• Al recibir una dirección IP de 32 bits, la TCAM obtiene la 
respuesta en un ciclo de clock (independientemente del 
tamaño de la tabla)
• Por ejemplo, los routers Catalyst de Cisco pueden alojar 
alrededor de 1 millón de entradas de la tabla en una TCAM
Coincidencia de prefijo más largo
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TD4 2022TD4 2022
▪ Objetivo: trasladar paquetes desde los enlaces de entrada a los 
enlaces de salida que les corresponden
Matrices de conmutación
matriz de 
conmutación
N puertos 
de entrada
N puertos de 
salida
. . . 
. . . 
▪ tasa de conmutación: tasa a la cual es posible conmutar paquetes 
desde las entradas hacia las salidas
• Se mide como múltiplo de la tasa de transmisión de los enlaces de entrada
• Con N entradas, es deseable una tasa de conmutación de N veces la tasa 
de transmisión
R
R
R
R
(tasa NR, 
idealmente)
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TD4 2022TD4 2022
busmemoria
mem
red de 
interconexión
▪ Tres clases principales:
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▪ Objetivo: trasladar paquetes desde los enlaces de entrada a los 
enlaces de salida que les corresponden
Matrices de conmutación
▪ tasa de conmutación: tasa a la cual es posible conmutar paquetes 
desde las entradas hacia las salidas
• Se mide como múltiplo de la tasa de transmisión de los enlaces de entrada
• Con N entradas, es deseable una tasa de conmutación de N vecesla tasa 
de transmisión
TD4 2022TD4 2022
Routers de primera generación (1980s - e.g. Cisco):
▪ Eran computadoras tradicionales; el switching se hacía por CPU
▪ El paquete se copiaba a la memoria RAM (interrupciones al CPU 
ante la llegada de paquetes)
▪ La velocidad queda limitada por el ancho de banda de la memoria
Conmutación en memoria
puerto de 
entrada
(e.g.,
Ethernet)
memoria
puerto de 
salida
(e.g.,
Ethernet)
bus
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TD4 2022TD4 2022
▪Los paquetes se transmiten a los puertos de salida sin 
intervención del procesador
▪Etiqueta interna con el puerto de salida para viajar por el bus; 
todos los puertos reciben el paquete
▪Velocidad limitada por el ancho de banda del bus
▪Suele operar bien para routers de redes locales
Conmutación a través de un bus
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TD4 2022TD4 2022
▪ Crossbar: 2N buses que conectan N puertos de 
entrada con N puertos de salida (figura: N = 3)
▪ Los puntos de cruce pueden abrirse o cerrarse 
por un controlador
▪ Al llegar paquetes, el controlador cierra el punto 
de cruce apropiado y coloca el paquete en el 
bus
▪ Admiten paralelismo: transmisión de múltiples 
paquetes en simultáneo
Conmutación a través de red de interconexión
3x3 
crossbar
3x3 
crossbar
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TD4 2022TD4 2022
▪ Se produce encolamiento en los puertos de entrada si la matriz de 
conmutación es más lenta que los puertos de entrada 
combinados
• Esto genera demoras y posibles pérdidas por overflow de buffers
Encolamiento en puertos de entrada
contención: sólo puede transferirse un 
paquete rojo (mismo puerto)
el paquete rojo inferior queda bloqueado
matriz
de conmutación
▪ Head-of-Line (HOL) blocking: el paquete encolado al frente no 
permite que los demás avancen
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el paquete verde experimenta
HOL blocking
matriz
de conmutación
TD4 2022TD4 2022
Encolamiento en puertos de salida
t0: se conmutan paquetes a 
los puertos de salida
matriz
de 
conmutación
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▪ Se produce encolamiento cuando los datagramas llegan más rápido 
que la tasa de transmisión del enlace
▪ Política de drop: decidir cuáles paquetes descartar si no hay lugar 
disponible
▪ Política de scheduling: determinar cuáles paquetes en la 
cola se van a transmitir primero
t1
matriz
de 
conmutación
TD4 2022TD4 2022 24
El protocolo IP
TD4 2022TD4 2022
El nivel de red en Internet
Funciones del nivel de red:
Protocolo IP
• Formato de datagrama
• Direccionamiento
Protocolo ICMP
• Manejo de errores
• Señalización de routers
nivel de transporte: TCP, UDP
nivel de enlace
nivel físico
nivel
de red tabla de 
forwarding
Algoritmos de 
selección de rutas: 
Implementados en 
• Protocolos de 
ruteo (OSPF, 
BGP)
• Controlador SDN
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TD4 2022TD4 2022
Formato del datagrama IP
ver longitud
32 bits
payload
(longitud variable; 
usualmente segmento 
TCP o UDP)
ID - 16 bits
checksum TTL
dirección IP origen
long. 
header ToS
flags
offset 
fragmento
proto
dirección IP destino
opciones (opcional)
número de versión de IP
longitud del
header en bytes
protocolo del nivel superior
(e.g., TCP o UDP)
longitud del 
datagrama completo 
en bytes
TTL: hops disponibles
(decrementado en cada router)
▪ 20 bytes (TCP)
▪ 20 bytes (IP)
▪ = 40 bytes (+ overhead 
del nivel de app)
overhead e.g., timestamp, 
registro de ruta
fragmentación
checksum
del header
longitud máxima: 64 KB
típicamente ≤ 1500 bytes
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tipo de servicio
▪ diffserv (0:5)
▪ ECN (6:7)
 
TD4 2022TD4 2022
▪ Dirección IP: identificador de 32 
bits asociado con cada interfaz 
de un host o router
▪ Interfaz: conexión entre un 
host/router y un enlace físico 
• Los routers suelen tener varias
• Los hosts suelen tener una o 
dos (e.g., Ethernet -cableada- 
y/o 802.11, WiFi -inalámbrica-)
Direccionamiento IP
223.1.1.1
223.1.1.2
223.1.1.3
223.1.1.4 223.1.2.9
223.1.2.2
223.1.2.1
223.1.3.2223.1.3.1
223.1.3.27
223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001
223 1 11
 
notación dot-decimal:
27
TD4 2022TD4 2022
Direccionamiento IP
223.1.1.1
223.1.1.2
223.1.1.3
223.1.1.4 223.1.2.9
223.1.2.2
223.1.2.1
223.1.3.2223.1.3.1
223.1.3.27
las interfaces Ethernet
se conectan vía switches
las interfaces WiFi se 
conectan vía estaciones 
base (access points)
Por el momento no nos vamos 
a detener en cómo se 
interconectan las interfaces
 
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TD4 2022TD4 2022
Subnets
223.1.1.1
223.1.1.2
223.1.1.3
223.1.1.4 223.1.2.9
223.1.2.2
223.1.2.1
223.1.3.2223.1.3.1
223.1.3.27
▪Sub-red (subnet)
• Conjunto de interfaces que 
pueden comunicarse entre sí 
sin atravesar un router
 
red con 3 subnets distintas
▪Estructura en direcciones IP
• Subnet: los dispositivos en la misma 
subnet comparten los bits más 
significativos de la dirección IP
• Host: los bits menos significativos 
remanentes
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TD4 2022TD4 2022
Subnets
223.1.1.1
223.1.1.2
223.1.1.3
223.1.1.4 223.1.2.9
223.1.2.2
223.1.2.1
223.1.3.2223.1.3.1
223.1.3.27
Definición de subnets
▪Si “desconectamos” cada 
interfaz de su host/router, 
obtenemos “islas” de redes 
aisladas unas de otras
▪Cada una de estas redes es 
una subnet
 
máscara de red: /24
(24 bits más significativos:
porción de subnet de la dirección IP)
subnet
223.1.3.0/24
subnet 223.1.1.0/24
subnet 223.1.2.0/24
30