Corso di Reti di Calcolatori

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1 Politecnico di Torino Corso di Reti di Calcolatori IP Cenni Storici Nella prima metà degli anni 70 la DARPA (Defence Advanced Research Project Agency) dimostra interesse per la realizzazione di una rete: a commutazione di pacchetto tra elaboratori eterogenei per le istituzioni di ricerca degli USA DARPA finanzia l Università di Stanford e la BBN (Bolt, Beraken e Newman) Cenni Storici Verso la fine degli anni 70 si completa la realizzazione dell Internet Protocol Suite, di cui i due principali protocolli sono: IP: Internet Protocol TCP: Transmission Control Protocol Da cui il nome TCP/IP usato per questa architettura di rete Nasce la rete Arpanet, prima rete della ricerca mondiale che evolve e diventa Internet Internet Usa i protocolli TCP/IP La più grande rete di calcolatori al mondo È in realtà una rete di reti collega decine di migliaia di reti centinaia di milioni di calcolatori Ha un tasso di crescita elevatissimo 01/2000: 259 milioni di utenti 01/2000: 72 milioni di apparati collegati (30 milioni a gennaio 98 e 3 milioni nel 1993) fonte: Internet Software Consortium,

2 L architettura TCP/IP Comprende anche molti altri protocolli, quali UDP (User Datagram Protocol) NFS (Network File System) È di dominio pubblico Realizzata da tutti i costruttori di calcolatori Molto spesso è l unica architettura di rete fornita Standardizzata con dei documenti detti RFC (Request For Comment) L Architettura di rete TCP/IP Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical OSI Telnet FTP SMTP SNMP Arp e Rarp ICMP TCP e UDP IP Non Specificati NFS XDR RPC Internet Protocol Suite Protocolli di routing I livelli 1 e 2 Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical OSI Telnet FTP SMTP SNMP Arp e Rarp ICMP TCP e UDP IP Non Specificati NFS XDR RPC Internet Protocol Suite Protocolli di routing Sotto l IP I livelli 1 e 2 L architettura TCP/IP è concepita come un mezzo per fare internetworking tra reti (locali o geografiche) È in grado di operare su tutte le reti: Ethernet, token ring, FDDI ATM, SMDS, Frame Relay X.25 SLIP, PPP, Dialup Esistono realizzazioni di TCP/IP anche per reti non standard

3 Gerarchia H1 Rete 7 R1 R2 FDDI R5 Rete 1 H4 Ethernet X.25 CDN R H2 R4 Rete 3 Rete 6 Rete 9 H3 L IP: Internet Protocol Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical OSI Telnet FTP SMTP SNMP Arp e Rarp ICMP TCP e UDP IP Non Specificati NFS XDR RPC Internet Protocol Suite Protocolli di routing IP:Internet Protocol È il livello Network di TCP/IP Offre un servizio non connesso Semplice protocollo di tipo Datagram Un protocollo datato ma non obsoleto Formato del pacchetto IP Version HLEN Service Type Total Length Identification Flags Fragment Offset Time To Live Protocol Header Checksum Source IP Address Destination IP Address Options PAD

4 Indirizzi IP Sono ampi 32 bit (4 byte) Si scrivono come 4 numeri decimali separati dal carattere. Ogni numero rappresenta il contenuto di un byte ed è quindi compreso tra 0 e 255 Esempi Indirizzamento Network Host Classe A Network Classe B Network Classe C Host Host Classe A Campo rete 7 bit max 128 reti valori compresi tra 0 e 127 Campo host 24 bit max 16M host Network Host Classe B Campo rete 14 bit max 16K reti valori compresi tra 128 e 191 Campo host 16 bit max 64K host Network Host

5 Classe C Campo rete 21 bit max 2M reti valori compresi tra 192 e 223 Campo host 8 bit max 256 host Classi D ed E Classe D Multicast Address Classe E Reserved for Future Use Network Host Subnetting... Ogni indirizzo host IP è composto da un indirizzo di sottorete e da un indirizzo di rete all interno della sottorete Le sottoreti sono l equivalente IP dei domini di collisione... Subnetting Indirizzo di classe B prima del subnetting 1 0 Network Host Indirizzo di classe B dopo il subnetting 1 0 Network Subnet Host

6 Reti logiche e fisiche Router Bridge Netmask Parametro che specifica il subnetting bit a 1 in corrispondenza dei campi network e subnetwork bit a 0 in corrispondenza del campo host Esempio: si supponga di voler partizionare una rete di classe B in 16 subnet da 4096 host Netmask Netmask esadecimale ff ff f0 00 Netmask decimale Subnet e reti fisiche IP assume una corrispondenza biunivoca tra reti fisiche e subnet: routing implicito all interno di una subnet realizzazioni più moderne ammettono più subnet sulla stessa rete fisica mai più reti fisiche sulla stessa subnet Il routing tra subnet diverse è esplicito gestito dai router tramite tabelle di instrada mento Gerarchia Subnet H4 R4 R Subnet Subnet 9 7 Net: Mask: R3 H2 R H1 FDDI R5 H Subnet 3 Subnet 6

7 Subnet: instradamento All interno della subnet l instradamento deve essere fornito dalla rete fisica Corrispondenza tra gli indirizzi di subnet (indirizzi IP) e gli indirizzi di livello 2 gestita da ARP Indirizzi di livello 2 Indirizzi MAC sulle LAN Indirizzi di DTE in X.25 Identificatori di LCI in Frame Relay... Default Route Gli host devono conoscere almeno un router presente sulla loro rete fisica Il protocollo ICMP permette di ottimizzare dinamicamente il routing Ad esempio sull host H4 route add default Tabelle di Instradamento L instradamento tra subnet diverse viene gestito da tabelle di instradamento presenti sui router Esempio: tabelle di instradamento del router R5 3 subnet non raggiungibili direttamente Subnet di Destinazione Indirizzo del router ICMP e ARP Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical OSI Telnet FTP SMTP SNMP ICMP ARP e RARP TCP e UDP IP Non Specificati NFS XDR RPC Internet Protocol Suite Protocolli di routing

8 ARP/RARP ARP: Address Resolution Protocol RARP: Reverse ARP Protocolli in broadcast di tipo sollicitation ARP la stazione che vuole scoprire l indirizzo MAC di un altra stazione, di cui conosce l indirizzo di livello 3, invia la richiesta in broadcast di tipo sollicitation la stazione sollecitata risponde ARP Hardware Type Protocol Type HLEN PLEN Operation Sender Hardware Address Sender HW Address Sender IP Address Sender IP Address Target HW Address Target Hardware Address Target IP Address ICMP Internet Control Message Protocol Verificare lo stato della rete Echo request ed Echo reply Riportare anomalie Destination Unreachable Time Exceeded for a Datagram Parameter Problem on a Datagram ICMP Scoprire la netmask Introdotto nelle ultime versioni Mask Request Address Mask Reply Migliorare il routing Redirect

9 ICMP Valore Tipo di Messaggio 0 Echo Reply 3 Destination Unreachable 4 Source Quence 5 Redirect 8 Echo Request 11 Time Exceeded for a Datagram 12 Parameter Problem on a Datagram 13 Timestamp Request 14 Timestamp Reply 15 Information Request 16 Information Reply 17 Address Mask Request 18 Address Mask Reply Protocolli di Routing Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical OSI Telnet FTP SMTP SNMP Arp e Rarp ICMP TCP e UDP IP Non Specificati NFS XDR RPC Internet Protocol Suite Protocolli di routing Autonomous System I E AS 137 AS 66 E: Exterior router I: Interior router I E IGP e EGP IGP RIP IGRP OSPF Integrated IS IS EGP EGP BGP

10 EGP Core Router Core Router Core Router AS 1 AS 2 AS 7 AS N Area Border Router OSPF Area 1 R1 AS Boundary Router Internal H1 R2 Router H3 R3 Altro Autonomous System Backbone Area FDDI R4 Backbone Router H2 Internal Router Area 2 H5 R6 R5 H6 H4 Area Border Router Nomi e Indirizzi Agli indirizzi IP si associano per comodità uno o più nomi Definizione locale in un file hosts alpha beta gamma delta mycomputer epsilon iota DNS: Domain Name Server Il file hosts diviene impraticabile quando la rete IP cresce di dimensione Si può utilizzare una base di dati distribuita per la gestione dei nomi (DNS) Non esiste corrispondenza tra domini e reti Nomi di tipo gerarchico vm.cnuce.cnr.it computer istituto ente nazione

11 I protocolli TCP e UDP TCP e UDP Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical OSI Telnet FTP SMTP SNMP Arp e Rarp ICMP TCP e UDP IP Non Specificati NFS XDR RPC Internet Protocol Suite Protocolli di routing Due protocolli di trasporto alternativi Realizzano funzionalità comuni a tutti gli applicativi Possono operare simultaneamente con molti applicativi diversi, tramite il concetto di porta TCP e UDP: Porte Sono il mezzo con cui un programma client su un elaboratore indirizza un programma server su un altro elaboratore ad esempio un ftp client che voglia connettersi ad un ftp server lo specifica indicando l indirizzo IP dell elaboratore remoto e il numero della porta associata allo ftp server Gli applicativi principali hanno una Well Known Port, ad esempio: Telnet è associato alla porta 23 di TCP SNMP è associato alla porta 161 di UDP UDP: User Datagram Protocol Protocollo di trasporto di tipo connesso non Aggiunge due funzionalità a quelle di IP: multiplexing delle informazioni tra le varie applicazioni tramite il concetto di porta checksum (opzionale) per verificare l integrità dei dati

12 UDP: PDU UDP Source Port UDP Destination Port UDP Message Length UDP Checksum DATA UDP: applicabilità Utile quando: si opera su rete locale l applicazione mette tutti i dati in un singolo pacchetto non è importante che tutti i pacchetti arrivino a destinazione l applicazione gestisce meccanismi di ritrasmissione UDP: applicazioni Le applicazioni principali che utilizzano UDP sono: NFS (Network File System) SNMP (Simple Network Management Protocol) Applicazioni Runix rwho ruptime... TCP: Transmission Control Protocol Un protocollo di trasporto connesso Utilizzato da applicativi che richiedono la trasmissione affidabile dell informazione telnet ftp (file transfer protocol) smtp (simple mail transfer protocol) rcp (remote copy) TCP garantisce la consegna del pacchetto, UDP no!

13 TCP: caratteristiche Come UDP ha il concetto di porta Il TCP di un nodo, quando deve comunicare con il TCP di un altro nodo, crea un circuito virtuale Al circuito virtuale è associato un protocollo di trasporto full duplex acknowledge controllo di flusso TCP richiede più banda e più CPU di UDP TCP: caratteristiche TCP segmenta e riassembla i dati secondo le sue necessità: non garantisce nessuna relazione tra il numero di read e quello di write Il TCP remoto deve fornire un acknowledge dei dati, normalmente tramite piggybacking Protocollo con sliding window, timeout e ritrasmissione TCP: Sliding Window I protocolli a sliding window richiedono di fissare la dimensione della finestra In TCP la dimensione della finestra è in byte, non in segmenti Il campo window del pacchetto TCP indica quanti byte possono ancora essere trasmessi prima di un ACK TCP: PDU Data Offset Source Port Res Sequence Number Acknowledgement Number Control Checksum Destination Port Window Urgent Pointer Options Padding

14 TCP: Urgent Pointer Indica che nel pacchetto ci sono uno o più byte urgenti Tipicamente associati ad eventi asincroni: interrupt TCP: Slow Start Le prime versioni di TCP quando andavano in timeout ritrasmettevano l intera window Questo poteva causare gravi congestioni della rete: Nell ottobre 1986 Arpanet fu bloccata da una congestione (da 32 kbs a 40 bps) Per evitare le congestioni venne introdotto l algoritmo slow start Quando si verifica un timeout la window viene reinizializzata al valore minimo e fatta crescere lentamente, per evitare nuove congestioni

15 Politecnico di Torino Corso di Reti di Calcolatori IP

16 Cenni Storici Nella prima metà degli anni 70 la DARPA (Defence Advanced Research Project Agency) dimostra interesse per la realizzazione di una rete: a commutazione di pacchetto tra elaboratori eterogenei per le istituzioni di ricerca degli USA DARPA finanzia l Università di Stanford e la BBN (Bolt, Beraken e Newman)

17 Cenni Storici Verso la fine degli anni 70 si completa la realizzazione dell Internet Protocol Suite, di cui i due principali protocolli sono: IP: Internet Protocol TCP: Transmission Control Protocol Da cui il nome TCP/IP usato per questa architettura di rete Nasce la rete Arpanet, prima rete della ricerca mondiale che evolve e diventa Internet

18 Internet Usa i protocolli TCP/IP La più grande rete di calcolatori al mondo È in realtà una rete di reti collega decine di migliaia di reti centinaia di milioni di calcolatori Ha un tasso di crescita elevatissimo 01/2000: 259 milioni di utenti 01/2000: 72 milioni di apparati collegati (30 milioni a gennaio 98 e 3 milioni nel 1993) fonte: Internet Software Consortium,

19 L architettura TCP/IP Comprende anche molti altri protocolli, quali UDP (User Datagram Protocol) NFS (Network File System) È di dominio pubblico Realizzata da tutti i costruttori di calcolatori Molto spesso è l fornita unica architettura di rete Standardizzata con dei documenti detti RFC (Request For Comment)

20 L Architettura di rete TCP/IP Application Presentation Session Transport Telnet FTP SMTP SNMP NFS XDR RPC TCP e UDP Network Data Link Physical OSI ICMP Protocolli IP di routing Arp e Rarp Non Specificati Internet Protocol Suite

21 I livelli 1 e 2 Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical OSI Telnet FTP SMTP SNMP NFS XDR RPC TCP e UDP ICMP Protocolli IP di routing Arp e Rarp Non Specificati Internet Protocol Suite

22 Sotto l IP I livelli 1 e 2 L architettura TCP/IP è concepita come un mezzo per fare internetworking tra reti (locali o geografiche) È in grado di operare su tutte le reti: Ethernet, token ring, FDDI ATM, SMDS, Frame Relay X.25 SLIP, PPP, Dialup Esistono realizzazioni di TCP/IP anche per reti non standard

23 Gerarchia Rete 1 H4 R4 R1 Ethernet Rete 7 X.25 CDN Rete 9 R R3 H1 FDDI R5 H2 H3 Rete 3 Rete 6

24 L IP: Internet Protocol Application Presentation Session Transport Telnet FTP SMTP SNMP NFS XDR RPC TCP e UDP Network Data Link Physical OSI ICMP Protocolli IP di routing Arp e Rarp Non Specificati Internet Protocol Suite

25 IP:Internet Protocol È il livello Network di TCP/IP Offre un servizio non connesso Semplice protocollo di tipo Datagram Un protocollo datato ma non obsoleto

26 Formato del pacchetto IP Version HLEN Service Type Total Length Identification Flags Fragment Offset Time To Live Protocol Header Checksum Source IP Address Destination IP Address Options PAD

27 Indirizzi IP Sono ampi 32 bit (4 byte) Si scrivono come 4 numeri decimali separati dal carattere. Ogni numero rappresenta il contenuto di un byte ed è quindi compreso tra 0 e 255 Esempi

28 Indirizzamento Network Host Classe A Network Host Classe B Network Host Classe C

29 Classe A Campo rete 7 bit max 128 reti valori compresi tra 0 e 127 Campo host 24 bit max 16M host Network Host

30 Classe B Campo rete 14 bit max 16K reti valori compresi tra 128 e 191 Campo host 16 bit max 64K host Network Host

31 Classe C Campo rete 21 bit max 2M reti valori compresi tra 192 e 223 Campo host 8 bit max 256 host Network Host

32 Classi D ed E Multicast Address Classe D Reserved for Future Use Classe E

33 Subnetting... Ogni indirizzo host IP è composto da un indirizzo di sottorete e da un indirizzo di rete all interno della sottorete Le sottoreti sono l equivalente IP dei domini di collisione

34 ... Subnetting Indirizzo di classe B prima del subnetting 1 0 Network Host Indirizzo di classe B dopo il subnetting 1 0 Network Subnet Host

35 Reti logiche e fisiche Router Bridge

36 Netmask Parametro che specifica il subnetting bit a 1 in corrispondenza dei campi network e subnetwork bit a 0 in corrispondenza del campo host Esempio: si supponga di voler partizionare una rete di classe B in 16 subnet da 4096 host Netmask Netmask esadecimale ff ff f0 00 Netmask decimale

37 Subnet e reti fisiche IP assume una corrispondenza biunivoca tra reti fisiche e subnet: routing implicito all interno di una subnet realizzazioni più moderne ammettono più subnet sulla stessa rete fisica mai più reti fisiche sulla stessa subnet Il routing tra subnet diverse è esplicito gestito dai router tramite tabelle di instrada mento

38 Gerarchia Subnet 7 R Subnet 1 H4 R Subnet 9 Net: Mask: R3 H2 R H1 FDDI R5 H Subnet 3 Subnet 6

39 Subnet: instradamento All interno della subnet l instradamento deve essere fornito dalla rete fisica Corrispondenza tra gli indirizzi di subnet (indirizzi IP) e gli indirizzi di livello 2 gestita da ARP Indirizzi di livello 2 Indirizzi MAC sulle LAN Indirizzi di DTE in X.25 Identificatori di LCI in Frame Relay...

40 Default Route Gli host devono conoscere almeno un router presente sulla loro rete fisica Il protocollo ICMP permette di ottimizzare dinamicamente il routing Ad esempio sull host H4 route add default

41 Tabelle di Instradamento L instradamento tra subnet diverse viene gestito da tabelle di instradamento presenti sui router Esempio: tabelle di instradamento del router R5 3 subnet non raggiungibili direttamente Subnet di Destinazione Indirizzo del router

42 ICMP e ARP Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical OSI Telnet FTP SMTP SNMP NFS XDR RPC TCP e UDP ICMP Protocolli IP di routing ARP e RARP Non Specificati Internet Protocol Suite

43 ARP/RARP ARP: Address Resolution Protocol RARP: Reverse ARP Protocolli in broadcast di tipo sollicitation ARP la stazione che vuole scoprire l indirizzo MAC di un altra stazione, di cui conosce l indirizzo di livello 3, invia la richiesta in broadcast di tipo sollicitation la stazione sollecitata risponde

44 ARP Hardware Type Protocol Type HLEN PLEN Operation Sender Hardware Address Sender HW Address Sender IP Address Sender IP Address Target HW Address Target Hardware Address Target IP Address

45 ICMP Internet Control Message Protocol Verificare lo stato della rete Echo request ed Echo reply Riportare anomalie Destination Unreachable Time Exceeded for a Datagram Parameter Problem on a Datagram

46 ICMP Scoprire la netmask Introdotto nelle ultime versioni Mask Request Address Mask Reply Migliorare il routing Redirect

47 ICMP Valore Tipo di Messaggio 0 Echo Reply 3 Destination Unreachable 4 Source Quence 5 Redirect 8 Echo Request 11 Time Exceeded for a Datagram 12 Parameter Problem on a Datagram 13 Timestamp Request 14 Timestamp Reply 15 Information Request 16 Information Reply 17 Address Mask Request 18 Address Mask Reply

48 Protocolli di Routing Application Presentation Session Transport Telnet FTP SMTP SNMP NFS XDR RPC TCP e UDP Network Data Link Physical OSI ICMP Protocolli IP di routing Arp e Rarp Non Specificati Internet Protocol Suite

49 Autonomous System I I E E AS 137 AS 66 E: Exterior router I: Interior router

50 IGP e EGP IGP RIP EGP IGRP OSPF Integrated IS IS EGP BGP

51 EGP Core Router Core Router Core Router AS 1 AS 2 AS 7 AS N

52 Area Border Router OSPF H1 Area 1 H3 R2 R3 FDDI R1 Internal Router R4 Altro Autonomous System AS Boundary Router Backbone Area H2 Internal Router Area 2 H5 R6 R5 Backbone Router H6 H4 Area Border Router

53 Nomi e Indirizzi Agli indirizzi IP si associano per comodità uno o più nomi Definizione locale in un file hosts alpha beta gamma delta mycomputer epsilon iota

54 DNS: Domain Name Server Il file hosts diviene impraticabile quando la rete IP cresce di dimensione Si può utilizzare una base di dati distribuita per la gestione dei nomi (DNS) Non esiste corrispondenza tra domini e reti Nomi di tipo gerarchico vm.cnuce.cnr.it computer istituto ente nazione

55 I protocolli TCP e UDP Application Presentation Session Transport Telnet FTP SMTP SNMP NFS XDR RPC TCP e UDP Network Data Link Physical OSI ICMP Protocolli IP di routing Arp e Rarp Non Specificati Internet Protocol Suite

56 TCP e UDP Due protocolli di trasporto alternativi Realizzano funzionalità comuni a tutti gli applicativi Possono operare simultaneamente con molti applicativi diversi, tramite il concetto di porta

57 TCP e UDP: Porte Sono il mezzo con cui un programma client su un elaboratore indirizza un programma server su un altro elaboratore ad esempio un ftp client che voglia connettersi ad un ftp server lo specifica indicando l indirizzo IP dell elaboratore remoto e il numero della porta associata allo ftp server Gli applicativi principali hanno una Well Known Port, ad esempio: Telnet è associato alla porta 23 di TCP SNMP è associato alla porta 161 di UDP

58 UDP: User Datagram Protocol Protocollo di trasporto di tipo non connesso Aggiunge due funzionalità a quelle di IP: multiplexing delle informazioni tra le varie applicazioni tramite il concetto di porta checksum (opzionale) per verificare l dei dati integrità

59 UDP: PDU UDP Source Port UDP Destination Port UDP Message Length UDP Checksum DATA

60 UDP: applicabilità Utile quando: si opera su rete locale l applicazione mette tutti i dati in un singolo pacchetto non è importante che tutti i pacchetti arrivino a destinazione l applicazione gestisce meccanismi di ritrasmissione

61 UDP: applicazioni Le applicazioni principali che utilizzano UDP sono: NFS (Network File System) SNMP (Simple Network Management Protocol) Applicazioni Runix rwho ruptime...

62 TCP: Transmission Control Protocol Un protocollo di trasporto connesso Utilizzato da applicativi che richiedono la trasmissione affidabile dell informazione telnet ftp (file transfer protocol) smtp (simple mail transfer protocol) rcp (remote copy) TCP garantisce la consegna del pacchetto, UDP no!

63 TCP: caratteristiche Come UDP ha il concetto di porta Il TCP di un nodo, quando deve comunicare con il TCP di un altro nodo, crea un circuito virtuale Al circuito virtuale è associato un protocollo di trasporto full duplex acknowledge controllo di flusso TCP richiede più banda e più CPU di UDP

64 TCP: caratteristiche TCP segmenta e riassembla i dati secondo le sue necessità: non garantisce nessuna relazione tra il numero di read e quello di write Il TCP remoto deve fornire un acknowledge dei dati, normalmente tramite piggybacking Protocollo con sliding window, timeout e ritrasmissione

65 TCP: Sliding Window I protocolli a sliding window richiedono di fissare la dimensione della finestra In TCP la dimensione della finestra è in byte, non in segmenti Il campo window del pacchetto TCP indica quanti byte possono ancora essere trasmessi prima di un ACK

66 TCP: PDU Source Port Destination Port Sequence Number Acknowledgement Number Data Offset Res Control Window Checksum Urgent Pointer Options Padding

67 TCP: Urgent Pointer Indica che nel pacchetto ci sono uno o più byte urgenti Tipicamente associati ad eventi asincroni: interrupt

68 TCP: Slow Start Le prime versioni di TCP quando andavano in timeout ritrasmettevano l intera window Questo poteva causare gravi congestioni della rete: Nell ottobre 1986 Arpanet fu bloccata da una congestione (da 32 kbs a 40 bps) Per evitare le congestioni venne introdotto l algoritmo slow start Quando si verifica un timeout la window viene reinizializzata al valore minimo e fatta crescere lentamente, per evitare nuove congestioni