Plazzotta Marco Sistemi e Reti Protocolli a livello di rete

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1 Prima Lezione: Introduzione Il livello di rete è il secondo della pila TCP/IP come già detto una suite di protocolli prevede che i messaggi partano dal livello più alto e vengano corredati, ad ognuno dei livelli inferiori, da una testata di informazioni. In queste lezioni vedremo le possibili testate (e quindi i protocolli standard) definiti per il livello di rete. I protocolli che studieremo sono: il protocollo IP versione 4, il protocollo ICMP e il protocollo ARP. Le relazioni tra questi protocolli e gli altri della pila TCP/IP sono tra loro diverse, come si può notare dalla figura 1. In particolare notiamo che: Il protocollo IP è l unico protocollo di rete vero e proprio in quanto riceve messaggi dal livello superiore (fornendo a questo dei servizi) e viene incapsulato in un protocollo di livello inferiore (utilizzando i suoi servizi). Il protocollo ICMP, pur essendo considerato come protocollo di rete, viene incapsulato in una testata IP. Poichè si tratta di un protocollo di diagnostica di rete non fornisce servizi ai livelli superiori Il protocollo ARP, poiché è utilizzato dai nodi per inoltrare i pacchetti attraverso il livello fisico/data link, non fornisce servizi ai livelli superiori.

2 Seconda Lezione: Il protocollo IP versione bit 5-8 bit 9 12 bit bit bit bit bit bit Versione TTL Lungh. testata ID Pacchetto Tipo Servizio Protocollo Superiore x D F M F Indirizzo IP Sorgente Indirizzo IP Destinazione Nessuna, una o più Opzioni Lunghezza Totale Pacchetto Offset Checksum della testata Campo Versione I primi quattro bit servono ad indicare la versione del protocollo; poiché quella in oggetto è la testata della versione 4, questo campo avrà sempre valore 4. Campo Lunghezza testata Indica quanto è lunga la testata, l unità di misura è la parola da 32 bit. Quindi un valore 6 in questo campo indica che la testata è lunga 6x32bit. La lunghezza della testata può variare a seconda della presenza o meno di opzioni. Come si può vedere dalla tabella che indica i diversi campi e la loro lunghezza, la lunghezza standard, cioè senza opzioni, è di 5 parole da 32 bit. In un pacchetto IP senza opzioni, quindi, questo campo avrà sempre valore 5. Campo Tipo Servizio Ognuno dei bit di questo campo ha un significato particolare in merito al tipo di servizio richiesto. Esempi sono se è richiesta l urgenza o l affidabilità. Questo campo è, tuttavia, preso poco in considerazione dai router. Campo Lunghezza Totale Pacchetto Indica la lunghezza in byte di tutto il pacchetto (testata + messaggio a livello superiore). Si noti che, a differenza dal campo lunghezza testata, l unità di misura è il byte e non la parola da 32 bit. Frammentazione Pacchetti (Campi ID Pacchetto, MF, DF, Offset) Nel percorrere la strada dal nodo di partenza al nodo di destinazione il pacchetto viene incapsulato in diverse Trame. Tali trame non devono essere necessariamente dello stesso protocollo in quanto le reti attraversate dal pacchetto possono utilizzare protocolli Data Link diversi. Un protocollo Data Link può avere anche una dimensione massima del Frame (MTU: Maximum Transmition Unit), un router può trovarsi nella condizione di dover instradare un pacchetto in una rete con MTU minore rispetto a quella da cui la ricevuto; se la dimensione del pacchetto è superiore alla MTU della rete verso cui è destinato, il router è costretto a dividere (frammentare) il pacchetto. I campi in oggetto sono utilizzati per permettere al ricevente di ricostruire il pacchetto. Il ricevente dovrà pert esempio essere in grado di: 1. riconoscere i frammenri dello stesso pacchetto originale 2. mettere nel giusto ordine i frammenti di un pacchetto 3. sapere quando un pacchetto è terminato in quanto sono arrivati tutti i suoi prammenti Campo ID Pacchetto Il campo ID Pacchetto ha lo stesso valore per i frammenti di un medesimo pacchetto originale

3 permettendo, quindi di raggrupparli come richiesto nel primo punto dell elenco precedente. Campo Offset Il campo offset indica la posizione del primo byte del frammento nel pacchetto originale. Un valore di 1000, quindi, sta ad indicare che il primo byte del frammento è il millesimo byte del pacchetto originale. Questo campo permette, quindi, di ordinare tra loro i frammenti di un medesimo pacchetto, come richiesto dal secondo punto del precedente elenco. Campo MF Questo campo continene un solo bit, il suo nome è l acronimo di MORE FRAGMENTS; come si può intuire vale uno nel caso in cui il frammento non sia l ultimo. Campo DF Questo campo continene un solo bit, il suo nome è l acronimo di DON T FRAGMENT; come si può intuire se vale uno significa che il pacchetto non può venir frammenato. Campo TTL Lo scopo di questo campo è di evitare che pacchetti che non sono riusciti ad arrivare a destinazione girino in eterno per la rete. Quando un nodo invia un pacchetto inizializza questo campo a 64; ogni router decrementa di uno questo campo e, se vede che ha raggiunto il valore 0, toglie il pacchetto dalla rete inviando al mittente un messaggio ICMP di errore. Campo Protocollo Superiore Attraverso dei valori standar indica il protocollo a livello trasporto utilizzato. I valori più comuni sono 6 e 17 che indicano rispettivamente il protocollo TCP e UDP. Campo CheckSum della testata Il campo checksum della Testata è il controllo errore sulla testata IP con la tecnica del checksum Indirizzo IP Sorgente Indica l indirizzo IP del nodo sorgente Indirizzo IP Destinazione Indica l indirizzo IP del nodo destinazione

4 Terza Lezione: Il protocollo ICMP Il protocollo ICMP è un protocollo di diagnostica del livello di rete ed è utilizzato dai nodi e dai router per scambiuarsi dei messaggi circa il funzionamento o meno della rete. ICMP non incapsula messaggi di livello superiore in quanto serve solo al funzionamento del livello di rete. Parleremo quindi di formato del messaggio ICMP piuttosto che della testata in quanto ICMP è il livello da cui partono i messaggi di diagnostica. Nonstante venga considerato un protocollo a livello di rete i messaggi ICMP vengono incapsulati da testate IP. Formato messaggio ICMP Tipo Codice Checksum Dati aggiuntivi Campi Tipo e Codice Questi campi servono, secondo tabelle stabilite dal protocolo, ad indentificare di che tipo di messaggio si tratta. Ogni coppia di valori mi dice la motivazione per cui è stato generato il messaggio ICMP. Ad esempio un messaggio icmp può venir generato nel momento in cui scade il TTL, nel momento in cui ci si accorge che un host non è disponibile, nel momento in cui si effettua un ping su un nodo e in tanti altri casi. La coppia di valori Tipo-Codice mi indica in che caso ci si trova. Campo checksum Il nome di questo campo è autoesplicativo. Campo Dati aggiuntivi Lunghezza e significato di questo campo dipendendono dal tipo di messaggio; nella maggior parte dei casi, se si è verificato un errore, vengono copiati i primi 64 bit della testata del pacchetto IP che ha generato l errore. Vediamo di seguito alcuni esempi di messaggi ICMP. Messaggio Destinazione non raggiungibile (Tipo 3) Questo messaggio viene generato da un router o da un host quando si rende conto che non è possibile recapitare il messaggio al ricevente. Continene il valore 3 su campo tipo e il campo Dati Aggiuntivi contiene i primi 64 bit del pacchetto IP non consegnato. Il campo codice chiarisce meglio i motivi per cui non è stato possibile raggiungere la destinazione e in particolare: codice = 0 Rete non raggiungibile (il router non ha nella sua tabella di instradamento una riga per la rete di destinazione o il collegamento impostato attualmente non funziona) codice = 1 Host non raggiungibile. Abbiamo raggiunto il router direttamente collegato alla rete della destinazione ma nessun host attivo ha l indirizzo IP richiesto. Codice = 2 o 3 porta non disponibile. Il messaggio ha raggiunto l host di destinazione ma non c è nessun processo che abbia aperto un socket sulla porta richiesta. Codice = 4 Il router per instrdare il pacchetto dovrebbe frammentarlo ma il bit DF è impostato a 1. Messaggio Tempo scaduto (Tipo 11) Questo messaggio viene generato da un router, quando il TTL arriva a zero ed il pacchetto viene rimosso, o da un nodo quando scade il timeout per l attesa di ulteriori frammenti di un pacchetto. Anche in questo caso il campo Dati Aggiuntivi contiene anche in questo caso i primi 64 bit del messaggio che ha causato l errore.

5 La distinzione tra i due casi esposti in pricedenza avviene con il campo codice, in particolare: codice 0 TTL arrivato a 0. codice 1 Timout per il frammento scaduto. Messaggio Ping e relativa risposta (Pong) Il messagio di richiesta risposta ad un nodo è un messaggio ICMP con tipo 8 e codice 0. La relativa risposta (pong) ha Tipo 0 e codice 0. In questo caso il campo aggiuntivi contiene un identificatore per associare ad ogni ping la relativa risposta pong. In sostanza quando un nodo riceve un messaggio ICMP tipo 8 e codice 0 risponde con un messaggio codice 0 e tipo 0 copiando nel campo dati aggiuntivi l identificatore ricevuto.

6 Quarta Lezione: Il protocollo ARP Come già studiato in precedenza il protocollo ARP viene utilizzato per conoscere l indirizzo MAC di un nodo di cui si conosce l indirizzo IP. Il messaggio ARP viene incapsulato in un messagio di livello inferiore destinato a tutti i nodi della rete. Il nodo che si rconosce nell indirizzo IP richiesto risponde con il proprio indirizzo MAC. La ricerca dell indirizzo MAC a partire dall indirizzo IP è solo l uso più comune del protocollo ARP che permette, in generale, di conoscere l indirizzo a livello Data Link a partire dall indirizzo di rete per diverse accoppiate di protocolli; alcuni campi del messaggio ARP, infatti, servono per identificare i protocolli utilizzati a livelo di rete e data link. Il protocollo ARP non fornisce servizi ai livelli superiori e viene inapsulato direttamente in un protocollo a livello Data Link. Messaggio ARP Lunghezza Indirizzo Hw (8 bit) Hardware Type (16 bit) Protocol Type (16 Bit) Richiesta o Risposta (16 bit) Indirizzo Hw richiedente (lunghezza variabile) Lunghezza Indirizzo Protocollo (8 bit) Indirizzo Protocollo Richiedente (lunghezza variabile) Indirizzo Hw Richiesto (lunghezza variabile) Indirizzo Protocollo Richiesto (lunghezza variabile) Campo Hardware Type (16 bit) Indica il protocollo che viene utilizzato a livello Data Link. Una tabella standard associa i valori possibili ai relativi protocolli. Per il protocollo Ethernet il valore di questo campo è 1. Campo Protocol Type (16 bit) Indica il protocollo che viene utilizzato a livello Rete. Una tabella standard associa i valori possibili ai relativi protocolli. Per il protocollo IP il valore di questo campo è Campo Lunghezza Indirizzo Hw (8 bit) In base al protocollo specificato il tipo di indirizzo, e quindi la sua lunghezza, può variare. In questo campo si memorizza la lunghezza degli indirizzi utilizzati per il protocollo specificato nel campo Hardware Type. Benchè possa sembrare una ripetizione questo campo è stato inserito per rendere più rapida l iterpretazione da parte dell hardware dei bit che seguono. Se il protocollo specificato nel campo Hardware Type è ethernet il valore di questo campo è, ovviamente, 6 (lunghezza in byte dell indirizzo MAC). Campo Lunghezza Indirizzo Protocollo (8 bit) In base al protocollo specificato il tipo di indirizzo, e quindi la sua lunghezza, può variare. In questo campo si memorizza la lunghezza degli indirizzi utilizzati per il protocollo specificato nel campo Protocol Type. Benchè possa sembrare una ripetizione questo campo è stato inserito per rendere più rapida l iterpretazione da parte dell hardware dei bit che seguono. Se il protocollo specificato nel campo Protocol Type è IP il valore di questo campo è, ovviamente, 4 (lunghezza in byte dell indirizzo Ipv4) Campo Richiesta o Risposta (16 bit) Tralasciando considerazioni sull assoluta inefficenza di un campo a 16 bit per memorizzare

7 un informazione binaria, questo campo indica se si tratta di una richiesta ARP (valore 1) o di una risposta ad una precedente richiesta (valore 2). Campo Indirizzo Hw richiedente Indica l indirizzo a livello data link del nodo che ha generato la richiesta ARP Campo Indirizzo Protocollo richiedente Indica l indirizzo a livello rete del nodo che ha generato la richiesta ARP Campo Indirizzo Hw richiesto Contiene l indirizzo richiesto. In una richiesta ARP il contenuto di questo campo è,ovviamente, non significativo. In una risposta, invece, contiene il dato ricercato Campo Indirizzo Protocollo richiesto Indica l indirizzo a livello rete del nodo di cui si vuole conoscere l indirizzo a livello Data Link Proviamo a fare un Esempio. Supponiamo di avere 2 nodi denominati nodo A e nodo B. I due nodi si trovano sulla stessa rete Il nodo A ha indirizzo IP e indirizzo MAC AB AB AB AB AB AB. Il nodo B ha indirizzo IP e indirizzo MAC CD CD CD CD CD CD. Il nodo A deve inviare un messaggio al nodo B ma non ne conosce l indirizzo MAC. Il nodo A invia, quindi, il messaggio ARP descrttto di seguito Lunghezza Indirizzo Hw (8 bit): 6 (lunghezza indirizzo MAC) Hardware Type (16 bit): 1 (protocollo Ethernet) Protocol Type (16 Bit): 2048 (protocollo IP) Richiesta o Risposta (16 bit): 1 (richiesta) Lunghezza Indirizzo Protocollo (8 bit): 4 (lunghezza Indirizzo IP) Indirizzo Hw richiedente (6 byte): AB AB AB AB AB AB (indirizzo MAC di A) Indirizzo Protocollo Richiedente (4 byte): (Indirizzo ip di A) Indirizzo Hw Richiesto: campo vuoto, indirizzo MAC di B non noto (oggetto della richiesta) Indirizzo Protocollo Richiesto (4 byte): (Indirizzo ip di B di cui si vuole conoscere l indirizzo MAC) Tale messaggio verrà incapsulato in un messaggio Ethernet con destinazione FF FF FF FF FF FF (inviato a tutti i nodi della rete) e campo mittente AB AB AB AB AB AB (indirizzo MAC di A) Il nodo B riceve il messaggio, si riconosce e risponde con il messaggio ARP descritto di seguito Lunghezza Indirizzo Hw (8 bit): 6 (lunghezza indirizzo MAC) Hardware Type (16 bit): 1 (protocollo Ethernet) Protocol Type (16 Bit): 2048 (protocollo IP) Richiesta o Risposta (16 bit): 2 (risposta) Lunghezza Indirizzo Protocollo (8 bit): 4 (lunghezza Indirizzo IP) Indirizzo Hw richiedente (6 byte): AB AB AB AB AB AB (indirizzo MAC di A) Indirizzo Protocollo Richiedente (4 byte): (Indirizzo ip di A)

8 Indirizzo Hw Richiesto: CD CD CD CD CD CD (indirizzo MAC di B, oggetto della richiesta) Indirizzo Protocollo Richiesto (4 byte): (Indirizzo ip di B di cui si vuole conoscere l indirizzo MAC) Tale messaggio verrà incapsulato in un messaggio Ethernet con destinazione AB AB AB AB AB AB (il destinatario è A) e campo mittente CD CD CD CD CD CD.