R. Cusani - F. Cuomo, Telecomunicazioni - Network layer: Internet Protocol (IP) e Indirizzamento IP, Maggio 2010

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1 1 17: Network layer: Internet Protocol (IP) e Indirizzamento IP Sommario 2 Internet Protocol (IP) Indirizzamento IP Routing e classi Assegnazione degli indirizzi Subnet, Network mask 1

2 Internet Protocol (IP) 3 Protocollo di rete della suite TCP/IP, definito negli RFC 791 (e 1122) IP ha la funzione di recapitare un insieme di bit (internet datagram) dalla sorgente alla destinazione attraverso un sistema di reti interconnesse Non sono previsti meccanismi di affidabilità, controllo di flusso, sequenzialità, rilevazione o correzione di errore Il recapito viene operato direttamente se la destinazione appartiene alla stessa rete della sorgente, attraverso un sistema intermedio (router) altrimenti Se possibile il datagramma viaggia intero, altrimenti viene spezzato in più parti, ciascuna trasportata poi individualmente; in questo caso il datagramma viene riassemblato a destinazione IP si preoccupa di trasmettere il datagramma da un host all altro, fino alla destinazione, una rete alla volta servizio connection less inaffidabile Host e router 4 Terminale (host) Commutatore (router) subnet /16 subnet /16 subnet /16 subnet /24 Indirizzo IP Indirizzo fisico Indirizzi IP APPLICATION TCP IP IF 1 UDP Architettura di un terminale IP Indirizzi fisici IF 1 (ATM) IF 2 (Ethernet) IF 3 (FDDI) Architettura di un router 2

3 Delivery locale e remoto 5 Due host appartengono alla stessa rete se sono nella stessa rete locale, o se sono i due punti terminali di una connessione punto-punto stessa rete locale va intesa in senso logico: possono esistere host appartenenti a reti IP distinte anche se sono connessi alla stessa rete locale, ed host appartenenti alla stessa rete IP anche se sono connessi a due reti locali connesse da un link punto-punto opportunamente mascherato Delivery locale e remoto 6 IP distingue il modo in cui viene recapitato il datagramma: se sorgente e destinazione fanno parte della stessa rete, il datagramma viene consegnato direttamente utilizzando il protocollo di data link layer sottostante (delivery locale) in caso contrario, deve esistere sulla rete direttamente connessa al mittente un router capace di trasmettere il datagramma attraverso le reti che interconnettono mittente e destinatario; il datagramma verrà trasmesso al router (tramite delivery locale) e questo instraderà a sua volta il datagramma ad altri router direttamente connessi fino a raggiungere la destinazione 3

4 Indirizzamento IP 7 Per identificare il destinatario ogni host o router deve avere un indirizzo (IP) univoco, che distingua la rete di appartenenza dalle altre, e l host dagli altri host appartenenti alla stessa rete l indirizzamento IP è gerarchico, a due livelli: indirizzo di rete ed indirizzo di host, a differenza dell indirizzamento Ethernet in realtà ogni interfaccia di rete (cioè ogni connessione ad una rete) deve avere un indirizzo IP: generalmente i PC hanno una sola interfaccia di rete, ma i router (sempre) o i server di grosse dimensioni (talvolta) hanno più interfacce di rete: ciascuna di queste deve avere un indirizzo IP tutti i nodi IP hanno un ulteriore indirizzo fittizio, detto loopback, indicante sé stesso, utilizzato per diagnostica o per simulare connessioni di rete di un host con se stesso Struttura dell indirizzo 8 L indirizzo IP è costituito da 32 bit, o 4 byte, generalmente rappresentati da 4 numeri decimali di valore compreso tra 0 e 255, separati da un punto ad esempio: Ogni indirizzo contiene una parte che specifica la rete, ed una parte che identifica l host all interno di quella rete tutti gli host di una stessa sotto-rete devono avere lo stesso Net_ID host di due distinte sottoreti non possono avere lo stesso Net_ID IP address= Net_ID.Host_ID 4

5 Struttura dell indirizzo IP (cont.) = = = = Classi di indirizzi 10 Gli indirizzi IP sono stati originariamente raggruppati in classi classe A: tutti quelli che iniziano con un bit 0, cioè con il primo byte di valore compreso tra 0 e 127 hanno il primo byte dedicato all indirizzo di rete, i restanti all indirizzo di host esempio, individua l host appartenente alla rete 20, il cui indirizzo di host è esistono 125 network di classe A (la rete 0 non viene utilizzata, le reti 10 e 127 hanno un utilizzo speciale), ciascuna delle quali può indirizzare 2 24 host differenti (quasi 17 milioni) 5

6 Classi di indirizzi (cont.) 11 classe B: tutti quelli che iniziano con la sequenza di bit 10, cioè con il primo byte di valore compreso tra 128 e 191 gli indirizzi di classe B hanno i primi due byte dedicati all indirizzo di rete, i restanti due dedicati all indirizzo di host indica l host di indirizzo appartenente alla rete esistono quindi reti di classe B, ciascuna contenente host classe C: iniziano con la sequenza 110, cioè con il primo byte di valore compreso tra 192 e 223 hanno i primi tre byte dedicati alla rete, il quarto all indirizzo di host ( indica l host 1 della rete ) in classe C esistono circa 2 milioni di reti, ciascuna avente al più 254 host Classi di indirizzi (cont.) 12 classe D: iniziano con la sequenza 1110, cioè con il primo byte compreso tra 224 e 239 dedicati all indirizzamento dei gruppi multicast classe E: iniziano con la sequenza 1111, cioè con il primo byte compreso tra 240 e 255 dedicati ad utilizzi sperimentali, non devono mai essere utilizzati come effettivo indirizzo di macchine sulla rete 6

7 Classi di indirizzi (cont.) 13 Classe Bit/s Iniziali Net_Id Host_Id reti disponibili hosts disponibili A 0 7 bits 24 bits B bits 16 bits C bits 8 bits D 1110 E indirizzo multicast, 28 bits numero di indirizzi possibili: riservata per usi futuri e ricerca, 27 bits numero di indirizzi possibili: Indirizzi speciali 14 L indirizzo contenente tutti 0 nel campo di host viene utilizzato per indicare la rete l indirizzo indica la rete 10 (di classe A) l indirizzo indica la rete (di classe C) L indirizzo ha il significato di questo host di questa rete, e viene utilizzato dai calcolatori che, in fase di boot, non conoscono ancora il proprio indirizzo IP L indirizzo IP con tutti 0 nella parte di rete ha il significato di questa rete ad esempio, se l host vuole inviare sulla rete locale un pacchetto all host , può indirizzarlo a

8 Indirizzi speciali (cont.) 15 Queste convenzioni spiegano perché la rete di classe A: non venga utilizzata come rete indirizzabile in IP: ad esempio, se cosi non fosse, il pacchetto indirizzato all host 1 di una qualunque rete tramite la notazione questa rete.1 non potrebbe essere distinto dal pacchetto indirizzato all host 1 della rete Indirizzi speciali (cont.) 16 L indirizzo (tutti bit 1) rappresenta l indirizzo broadcast della rete locale direttamente connessa è l indirizzo utilizzato per inviare un pacchetto IP broadcast sulla propria rete L indirizzo con tutti 1 nel campo host rappresenta l indirizzo broadcast della rete specificata nel campo rete ad esempio: l indirizzo indica l indirizzo broadcast della rete questo meccanismo permette di indirizzare un pacchetto a tutti gli host di una rete remota 8

9 Indirizzi dedicati a scopi speciali 17 La rete di classe A è dedicata all interfaccia di loopback l interfaccia prende sempre l indirizzo poichè tutti gli host assumono questo indirizzo, per garantire l unicità degli indirizzi la rete non deve essere pubblica Tre campi di indirizzamento sono dedicati ad indirizzi privati (una rete di classe A) da a (16 reti di classe B) da a (256 reti di classe C) Gli indirizzi privati possono essere utilizzati all interno di una rete privata, ma non devono mai venire annunciati nelle tabelle di routing (cosi come la rete dell interfaccia di loopback) Indirizzi dedicati a scopi speciali (cont.) 18 Il routing verso le macchine ad indirizzo privato deve essere operato dal router di interconnessione con la rete pubblica ad insaputa del resto della rete lo scopo degli indirizzi privati è quello di poter utilizzare la tecnologia TCP/IP in una realtà locale senza dover necessariamente chiedere ed utilizzare indirizzi pubblici una tecnica diffusa che fa uso di questi indirizzi per dare connettività senza sprecare indirizzi pubblici è il NAT (Network Address Translation) 9

10 Routing e classi 19 In base alle convenzioni sulle classi di indirizzi, qualunque indirizzo contiene in se l informazione della rete di appartenenza l indirizzo appartiene alla rete (classe A) l indirizzo appartiene alla rete (classe B) Questo permette ai pacchetti di essere indirizzati specificando solamente l indirizzo di 32 bit, senza informazioni aggiuntive su quale sia la rete di appartenenza della destinazione (e del mittente) la tabella di routing deve riportare semplicemente la lista delle associazioni rete IP - interfaccia Assegnazione degli indirizzi in Internet 20 Affinché tutto funzioni correttamente in una internet gli indirizzi devono essere assegnati da una autorità centrale che garantisca innanzi tutto l unicità delle assegnazioni Per Internet gli indirizzi sono assegnati dalla ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers) La ICANN ha delegato organizzazioni regionali (Europa,Asia,America, ) assegnando loro gruppi di indirizzi da riassegnare al loro interno per l Europa: RIPE NCC A loro volta le organizzazioni regionali possono delegare verso il basso, partizionando gli indirizzi a loro destinati dalla ICANN in Italia: diverse istituzioni (ISP); per università ed enti di ricerca si deve chiedere a GARR 10

11 Problemi dello spazio di indirizzi 21 Lo spazio di indirizzamento disponibile conta due miliardi di indirizzi, raggruppabili in reti di enormi dimensioni e 2 milioni di reti di piccole dimensioni Sembrava impossibile esaurire lo spazio di indirizzamento La sima rete si è connessa in Internet nel 1996! Tre i fattori che hanno determinato l insorgere di problemi 1. lo spazio di indirizzamento delle classi A, e spesso anche quello delle classi B, è troppo vasto: nessuna rete può contenere 16 milioni di nodi distinti, o anche solo Problemi dello spazio di indirizzi (cont) un enorme numero di indirizzi rimangono inutilizzati 3. una azienda o campus cui è stata assegnata una classe A che deve estendere la sua rete per interconnettere diversi dipartimenti su reti locali distinte hanno bisogno di altre reti, benchè il numero di indirizzi disponibile ecceda di gran lunga la necessità di indirizzi di host la connessione punto-punto tra due router richiede l utilizzo di una rete IP, per la quale sono utilizzati solo due indirizzi lo spazio di indirizzamento delle reti di classe C risulta troppo piccolo con il crescere delle reti locali 11

12 Subnet 23 Per risolvere i problemi di carenza di indirizzi di rete è stata sviluppata una tecnica detta subnetting un campus a cui è stata assegnata una rete di classe A può suddividere il suo campo di indirizzi in gruppi più piccoli, trattando ogni gruppo come se fosse una rete a se stante ad esempio, se la rete assegnata è la , il campus può dedicare gli indirizzi ad un dipartimento, gli indirizzi ad un secondo dipartimento e cosi via, trattando le diverse reti come se fossero reti di classe B affinchè tutto funzioni a dovere, il router del campus dovrà annunciare verso l esterno la sola rete di classe A, mentre internamente potrà trattare i vari pezzi come se fossero reti più piccole Subnet (cont) 24 per implementare le sottoreti è necessario introdurre una informazione aggiuntiva agli indirizzi di rete, che specifichi quali bit dell indirizzo definiscano l indirizzo della (sotto)rete e quali definiscano l indirizzo degli host Network Subnet Host Network mask 12

13 Network mask 25 Per identificare quali bit definiscono la rete e quali bit l host, si utilizza una maschera, anch essa costituita da 32 bit, col significato seguente: se un bit della maschera vale 1, il corrispondente bit dell indirizzo fa parte dell indirizzo della rete se un bit della maschera vale 0, il corrispondente bit dell indirizzo fa parte dell indirizzo di host Con questa convenzione, gli indirizzi di classe A hanno maschera , quelli di classe B hanno maschera , quelli di classe C hanno maschera Network mask (cont) 26 Utilizzando opportunamente le maschere è possibile spezzare una rete in sottoreti: con maschera indica una rete che può indirizzare gli host da a Tutte le reti possono essere partizionate, anche le classi C: la rete (classe C) può essere ad esempio suddivisa in quattro sottoreti: (indirizzi da 1 a 62) (indirizzi da 65 a 126) (indirizzi da 129 a 190) (indirizzi da 193 a 254) 13

14 Network mask (cont.) 27 Una notazione molto diffusa per indicare la maschera è quella di indicare in coda all indirizzo il numero di bit, a partire dal più significativo, che costituiscono l indirizzo di rete la rete si indica anche con la notazione /24: i primi 24 bit costituiscono l indirizzo di rete la subnet si indica con /26 (26 bit per l indirizzo di rete) Network mask (cont.) 28 la sottorete di dimensioni minime deve avere un campo host di 4 indirizzi: uno per indicare la sottorete, uno per indicare il broadcast, ed almeno uno per indirizzare un host; poichè al campo host vanno assegnati un certo numero di bit, un bit non è sufficiente, quindi ne servono almeno due, che forniscono due indirizzi per host questa tecnica è utilizzata per assegnare indirizzi di rete alle connessioni punto-punto tra i router, risparmiando il maggior numero di indirizzi possibile La definizione delle sottoreti non coinvolge la authority internazionale (o quella regionale) per gli indirizzi le sottoreti fanno tutte parte dell insieme degli indirizzi già assegnati 14

15 Network mask (cont.) 29 valore nel penultimo byte (2) nell ultimo byte (3) dec bin ampiezza rete (1) prefix length ampiezza rete (1) prefix length x1 /16 256x1 / x2 /17 128x2 / x4 /18 64x4 / x8 /19 32x8 / x16 /20 16x16 / x32 /21 8x32 / x64 /22 4x64 / x128 /23 2x128 * x256 /24 1x256 * (1) l ampiezza indica il numero di host della rete ottenuta ed il numero di reti ottenute (2) il byte successivo dovrà essere 0 (3) il byte precedente dovrà essere 255 Subnetting esempio 30 Data la rete in figura definire un possibile schema di indirizzamento utilizzando la tecnica del subnetting con maschera fissa a partire da indirizzi di classe C pc-net 100 host A x-net-1 20 host B Link-1 Link-3 ws-net 20 host Link-2 C x-net-2 10 host 15

16 Subnetting esempio (cont cont.) 31 SOLUZIONE: È necessario definire 7 sotto-reti (anche i Link sono sotto-reti) quindi la Sub_Net_ID sarà lunga 3 bit A partire da un indirizzo di classe C con 3 bit utilizzati per il subnetting rimangono 8-3 = 5 bit per Host_ID posso indirizzare al più 2^5 2= 30 host in ogni sottorete Con un singolo indirizzo di classe C non è possibile definire uno schema di indirizzamento utilizziamo 2 indirizzi Subnetting esempio (cont.) 32 pc-net /25 (0-127, 126 host) B /27 Link-1 A Link /27 x-net /27 (0-31, 30 host) ws-net /25 ( , 126 host) Link /27 C x-net /27 (32-63, 30 host) Quante altre sottoreti da 30 host mi restano in ? 16

17 Accorpamento di reti 33 L indirizzamento a classi ha anche portato soluzione al problema opposto: una classe C prevede un massimo di 254 indirizzi (lo 0 ed il 255 non sono utilizzabili) spesso aziende o università hanno aumentato il numero di host connessi in rete fino ad eccedere questo limite Utilizzando la tecnica della maschera è possibile accorpare classi C con indirizzi contigui opportuni Accorpamento di reti (cont) 34 ad esempio, la sezione INFN di Genova ha avuto assegnate 4 classi C, dalla alla il valore binario di queste reti è utilizzando una maschera a 22 bit è possibile accorpare queste quattro reti in una unica rete IP indicata come /22 (o con maschera ) 17

18 Variable Length Subnet Mask 35 Nel subnetting utilizzare una netmask di lunghezza fissa per ogni indirizzo di rete rappresenta un grande limite. Una volta che la netmask viene scelta si è vincolati ad avere un numero fisso di sottoreti aventi tutte le stesse dimensioni (in termini di host indirizzabili). Nel 1987 l RFC 1009 definì come utilizzare il subnetting con maschere di lunghezza variabile (Variable Length Subnet Mask, VLSM). Con il VLSM a partire da un dato indirizzo è possibile associare più di una netmask Variable Length Subnet Mask (cont.) 36 Utilizzando il subnetting con maschere di lunghezza variabile sulla stessa rete è possibile definire uno schema di indirizzamento che utilizzi un solo indirizzo di classe C pc-net /25 (0-127, 126 host) /30 Link-1 B A Link /30 x-net /27 ( , 30 host) ws-net /27 ( , 30 host) Link /30 C x-net /28 ( , 14 host)