Il protocollo IP. Reti di Telecomunicazioni LA Prof. Franco Callegati

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1 Il protocollo IP Reti di Telecomunicazioni LA Prof. Franco Callegati La famiglia dei protocolli TCP/IP Application Applicazioni ,ftp,telnet,www Strati superiori Transport TCP UDP Strato 4 Network Data Link Phisical ICMP IP ARP Non specificato (ad es. IEEE 802-Ethernet-X25-Aloha ecc.) Non specificato Collegamento fisico Strato 3 Strato 2 Strato 1 2 1

2 La famiglia dei protocolli TCP/IP (2) Nessuna specifica per gli strati sotto a IP, in quanto relativi alla singola sottorete IP: funzioni di rete, instrada i pacchetti TCP: trasporto connection oriented controllo della connessione end-to-end UDP: trasporto connectionless ICMP: gestione e controllo delle funzionalità di IP Lo strato di applicazione contiene applicativi utilizzati per fornire servizi all utente 3 Standard di Internet: Enti di gestione Non esistono veri e propri enti che svolgono la funzione di gestione, ma solo enti di coordinamento delle attività di ricerca e di sviluppo che ora convergono nella Internet Society Da questa ora dipende il cosiddetto Internet Advisory Board (IAB) e si compone di due sottogruppi principali Internet Engineering Task Force (IETF), con lo scopo di coordinare le attività di ingegnerizzazione ed implementazione Internet Research Task Force (IRTF), con lo scopo di coordinare le attività di ricerca 4 2

3 RFC I protocolli sono frutto del lavoro di gruppi di ricerca I vari protocolli sono definiti in documenti detti Request For Comment (RFC) RFC sono documenti di pubblico dominio, distribuiti liberamente a chiunque li richieda, consultabili all indirizzo Alcuni RFC diventano Internet Standard Prima Proposed Standards Poi Draft standards 5 Altri Enti importanti NSF ha fondato un ente chiamato InterNIC (Network Information Center) allo scopo di fornire alcuni servizi specifici relativi ad Internet: Registrazione di nuove reti e domini Manutenzione di indici e database degli enti interconnessi Servizi di tipo informativo sulla rete IANA = Internet Assigned Number Authority Mantiene i database dei numeri che hanno significati convenzionali nei protocolli di Internet 6 3

4 Internet Protocol (IP) - RFC 791 Progettato per funzionare a commutazione di pacchetto in modalità connectionless Si prende carico della trasmissione di datagrammi da sorgente a destinazione, attraverso reti eterogenee Identifica host e router tramite indirizzi di lunghezza fissa, ragruppandoli in reti IP Frammenta e riassembla i datagrammi quando necessario Offre un servizio di tipo best effort, cioè non sono previsti meccanismi per aumentare l affidabilità del collegamento end-to-end, eseguire il controllo di flusso e della sequenza. 7 Struttura degli indirizzi IP Indirizzi di lunghezza fissa pari a 32 bit Scritti convenzionalmente come sequenza di 4 numeri decimali, con valori da 0 a 255, separati da punto (rappresentazione dotted decimal) Numero teorico max. di indirizzi 2 32 = In realtà si riesce a sfruttare un numero molto inferiore Assegnati dalla IANA (Internet Assigned Numbers Authority) 8 4

5 Formato del pacchetto IP 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte Version IHL Type of Service Total Lenght Identification Flags Fragment Offset Time to live Protocol Source Address Header Checksum Options Destination Address Padding Dati di utente 9 Formato del pacchetto IP (2) Version : indica il formato dell intestazione, attualmente la versione in uso è la 4 IHL : lunghezza dell intestazione, espressa in parole di 32 bit; lunghezza minima = 5 Type of service : indicazione sul tipo di servizio richiesto, usato anche come sorta di priorità Total length : lunghezza totale del datagramma, misurata in bytes; lunghezza masima = bytes, ma non è detto che tutte le implementazioni siano in grado di gestire questa dimensione 10 5

6 Formato del pacchetto IP (3) Identification : valore intero che identifica univocamente il datagramma; si usa per risalire a quale datagramma appartengono i fragments Flag : bit 0 sempre a 0 bit 1 don t fragment (DF) bit 2 DF = 0 si può frammentare DF = 1 non si può frammentare more fragments (MF) MF = 0 ultimo frammento MF = 1 frammento intermedio Fragment offset: indica quale è la posizione di questo frammento nel datagramma, come distanza in unità di 64 bit dall inizio 11 Formato del pacchetto IP (4) Time to live : tempo massimo di permanenza del datagramma nella rete, decrementato da ogni nodo che attraversa; il datagramma verrà distrutto dal primo nodo che trova questo campo = 0 Protocol : indica a quale protocollo di livello superiore appartengono i dati del datagramma Header checksum : controllo di errore della sola intestazione, viene ricalcolato da ogni nodo attraversato dal datagramma Source and Destination Address : indirizzi sorgente e destinazione 12 6

7 Formato del pacchetto IP (5) Options : contiene opzioni relative al trasferimento del datagramma (registrazione del percorso, meccanismi di sicurezza), è perciò di lunghezza variabile Padding : bit privi di significato aggiunti per fare in modo che l intestazione sia con certezza multipla di 32 bit 13 Indirizzi e interfacce di rete L indirizzo identifica i punti di interconnessione di un host con la rete Non identifica un host individuale, ma una delle sue interfacce di rete Multi-homed hosts host con due o più interfacce di rete Esempio: un router che collega N reti ha N interfacce di rete N distinti indirizzi IP, uno per ogni interfaccia di rete Le interfacce possono avere anche indirizzi fisici, in base al protocollo di strato 2 adottato 14 7

8 Semantica dell indirizzo IP L indirizzo IP è logicamente suddiviso in due parti: Network (Net) ID Prefisso che identifica la rete a cui appartiene l indirizzo Tutti gli indirizzi di una medesima rete (network) IP hanno il medesimo Network ID Host ID Identifica l host (l interfaccia) vero e proprio di una certa Network Per Net e Host ID vengono utilizzati bit contigui Net ID occupa la parte sinistra dell indirizzo Host ID occupa la parte destra dell indirizzo 15 Indirizzi riservati Alcuni indirizzi sono riservati per scopi particolari Non possono essere usati come indirizzi di host significa questo host (local host), un pacchetto con tale indirizzo non viene inviato in rete Net ID = 0 indica questa rete Host ID = 0 viene usato per indicare la rete Host ID di tutti 1 è l indirizzo di broadcast per quella rete indica in ogni computer la porta verso gli strati superiori (loopback) 16 8

9 Esempio: Università di Bologna Net ID = La network corrispondente ha indirizzo Tutti i numeri IP dell Università di Bologna hanno il medesimo prefisso Host ID Qualunque combinazione dei rimanenti 16 bit Escluso e Server web UniBO Server web del DEIS Server web DEISNet Uso e dimensione del Net ID Il routing in Internet è basato sulle Network Tipicamente le tabelle di routing contengono i Net ID di destinazione piuttosto che i singoli Host ID Maggiore economicità grazie a informazioni più riassuntive Compromesso fra Poche network con molti host Poca flessibilità nell assegnazione degli indirizzi Molte network con pochi host Tabelle di instradamento più complesse 18 9

10 Classe delle reti Originariamente la dimensione dei Net-ID era specificata di default Furono definite diverse classi di network differenziate per dimensione La parte iniziale del Net-ID differenzia le classi 0 classe A 10 classe B 110 classe C La definizione delle classi è standard e quindi nota a tutti I router riconoscono la classe di una rete dai primi bit dell indirizzo Ricavano di conseguenza il Net-ID 19 Classi di indirizzi Network ID 0 Host ID Classe A 1 0 Classe B Classe C Classe D (multicast) bit Classe E (sperimentale) Network ID : Host ID : identifica una rete IP identifica i singoli calcolatori della rete 20 10

11 Intervalli di indirizzi Classe A: da a Classe B: da a Classe C: da a Classe D: da a Classe E: da a Indirizzi riservati (RFC 1700) indica l host corrente senza specificarne l indirizzo 0.x.y.z indica un certo Host-ID sulla rete corrente senza specificare il Net-ID è l indirizzo di broadcast 127.x.y.z è il loopback, che redirige i datagrammi agli strati superiori dell host corrente 21 Reti IP private (RFC 1918) Alcuni gruppi di indirizzi sono riservati a reti IP private Essi non sono raggiungibili dalla rete pubblica I router di Internet non instradano datagrammi destinati a tali indirizzi Possono essere riutilizzati in reti isolate da a da a da a

12 La netmask A un amministrazione è assegnata una network L amministrazione potrebbe essere suddivisa in sottoamministrazioni logicamente separate Converrebbe frammentare la network in subnetwork da assegnare alle sotto-amministrazioni Maggior flessibilità se è possibile decidere localmente una sotto-ripartizione Net/Host ID indipendente dalle classi La ripartizione deve essere locale e reversibile Tutta Internet vede comunque una certa network come un entità unitaria 23 Subnetting, Netmask È possibile frammentare l Host-ID in due sottoparti: la prima identifica la sottorete (subnet-id) la seconda identifica i singoli host della sottorete La suddivisione è locale alla singola interfaccia Deve essere configurabile Si utilizza la Netmask La configurazione della netmask è necessaria al corretto funzionamento dell instradamento 1 0 Permette di riconoscere il proprio Net-ID dall indirizzo IP Network ID Subnetwork ID Host ID Netmask Netmask notazione dotted decimal :

13 Esempio: Università di Bologna Una network di classe B ( ) Numerose entità distinte nella stessa amministrazione Facoltà, Dipartimenti, Centri di ricerca ecc. Si suddivide la rete (network) in sottoreti (subnetwork) Il primo byte del Host-ID viene utilizzato come indirizzo di sottorete Dalla network di classe B si ricavano 254 network della dimensione di una classe C Netmask = Il subnetting si indica utilizzando la seguente notazione (numero IP)/(dimensione di Net-ID + Subnet-ID) Esempio: Server web DEISNet /24 25 CIDR = Classless InterDomain Routing Con la grande diffusione di Internet le 3 classi rendono l instradamento poco flessibile e scalabile CIDR (RFC 1519) Si decide di rompere la logica delle classi nei router La dimensione del Net-ID può essere qualunque Le tabelle di routing devono comprendere anche le Netmask È possibile il SUPERNETTING Raggruppare più reti con indirizzi consecutivi per indicarle nelle tabelle di routing con una sola entry accompagnata dalla opportuna Netmask Ad esempio 16 Network di classe C con Netmask

14 Subnetting: ripartizione logica e fisica SI NO SI / /24 27 Subnetting: ripartizione logica e fisica / /

15 Rete logica e rete fisica Nella terminologia di Internet si definisce Rete logica: la rete IP a cui un Host appartiene Rete fisica: la rete cui è effettivamente connesso (per esempio una LAN) È possibile che Host connessi mediante una rete fisica debbano comunicare utilizzando i reciproci indirizzi fisici Caso MAC address L architettura a strati nasconde gli indirizzi fisici e consente alle applicazioni di lavorare solo con indirizzi IP Host A per mandare dati all host B, necessita di un meccanismo per associare all indirizzo IP dell host B il relativo indirizzo fisico dell interfaccia di rete (MAC address) Si usa un protocollo detto Address Resolution Protocol - ARP 29 Address Resolution Protocol ARP (RFC 826) ARP request per IP = Il nodo sorgente invia una trama broadcast (ARP request) contenente l indirizzo IP del nodo destinazione Tutte le stazioni della rete locale leggono la trama broadcast 30 15

16 Address Resolution Protocol - ARP (3) ARP reply contenente indirizzo fisico Il destinatario risponde al mittente, inviando un messaggio (ARP reply) che contiene il proprio indirizzo fisico Con questo messaggio host sorgente è in grado di associare l appropriato indirizzo fisico all IP destinazione Ogni host mantiene una tabella (cache ARP) con le corrispondenze fra indirizzi logici e fisici 31 Comando ARP arp a visualizza il contenuto della cache ARP con le diverse corrispondenze tra indirizzi IP e MAC 32 16

17 Comando ARP Esempio 33 IP: instradamento dei datagrammi Routing : scelta del percorso su cui inviare i dati i router formano struttura interconnessa e cooperante: i datagrammi passano dall uno all altro finché raggiungono quello che può consegnarli direttamente al destinatario Direct delivery : il destinatario del datagramma è sulla stessa rete fisica di chi trasmette, quindi si spedisce il datagramma direttamente al destinatario Indirect delivery : il destinatario non è sulla stessa rete di chi trasmette, quindi il datagramma è inviato ad un router intermedio 34 17

18 Direct delivery: da Host 1 a Host 3 HOST1 HOST2 ROUTER1 ROUTER2 ETHERNET HOST3 MAN WAN HOST4 ARP request ARP reply HOST1 chiede l indirizzo MAC di HOST3 HOST3 risponde direttamente a HOST1 MAC ADDRESS: HOST3 IP ADDRESS: HOST3 DATI 35 Indirect delivery: da Host 1 a Host 4 HOST1 HOST2 ROUTER1 ROUTER2 ETHERNET HOST3 MAN WAN HOST4 ARP request ARP reply HOST1 chiede l indirizzo MAC di ROUTER1 ROUTER1 risponde a HOST1 MAC ADDRESS: ROUTER1 IP ADDRESS: HOST4 DATI 36 18

19 Da mittente a destinatario C è sempre una consegna diretta Può non esserci alcuna consegna indiretta Possono esserci una o più consegne indirette HOST1 HOST2 ROUTER1 indiretta ROUTER2 ETHERNET HOST3 MAN WAN HOST4 diretta 37 Tabella di instradamento degli host (I) Gli host devono sapere se eseguire una consegna diretta o indiretta e, eventualmente, quale router usare Ciascun host ha una sua tabella di instradamento La tabella di instradamento contiene un insieme di route Ciascun route (percorso) associa all indirizzo di una destinazione (host o network) un gateway attraverso il quale raggiungerla Il gateway indica anche il tipo di consegna da effettuare I route contenuti nella tabella sono solamente quelle di maggior interesse per quell host, non tutte le possibili Si designa un default gateway al quale inviare tutti i datagrammi indirizzati a destinazioni non esplicitamente presenti in tabella 38 19

20 Tabella di instradamento degli host (II) Informazioni contenute in ciascuna riga: indirizzo di destinazione: può essere un host o una network netmask: utilizzata per verificare la corrispondenza con la destinazione gateway: indica il tipo di consegna da effettuare interfaccia di rete: specifica quale interfaccia di rete utilizzare (loopback compreso) metrica: specifica il costo di quel particolare route Lookup eseguito per ogni datagramma arrivato dalla rete dagli strati superiori 39 Table lookup La ricerca nella tabella avviene utilizzando indirizzo IP di destinazione del datagramma indirizzo IP di destinazione e netmask di ciascuna riga della tabella Procedura: Si esegue un operazione di AND bit per bit tra Indirizzo di destinazione del datagramma e netmask di ciascuna riga Il risultato viene confrontato con la destinazione specificata nella riga stessa Se coincidono, la riga è quella giusta Il controllo viene effettuato a partire dalla riga che presenta una netmask con un numero maggiore di bit a uno Priorità alle route più specifiche (prima host, poi reti piccole, poi reti grandi) Una volta trovata la riga corrispondente, il lookup si ferma e il datagramma viene instradato secondo la modalità specificata Se nessuna riga corrisponde, si usa il gateway di default 40 20

21 Esempio di lookup Destinazione Netmask Etc. Datagramma con IP dest. = Confronto prima con riga 3, poi con riga 2 e poi riga bitwise AND == La riga 3 è quella giusta (host specific) 41 Esempio di lookup Destinazione Netmask Etc. Datagramma con IP dest. = != == La riga 2 è quella giusta (network specific) 42 21

22 Esempio di lookup 3 Destinazione Netmask Etc Datagramma con IP dest. = != != == La riga 1 è quella giusta (default gateway) 43 Comando ROUTE route print (Windows) route n (Linux/Unix) visualizza la tabella di routing dell host route p add DEST mask NETMASK GATEWAY aggiunge alla tabella di routing Windows una entry permanente relativa alla destinazione DEST indicandone la NETMASK e il GATEWAY attraverso il quale raggiungerla 44 22

23 Esempio 1: host semplice (Windows) Gateway = IP locale consegna diretta Gateway = loopback consegna agli strati superiori Altrimenti consegna indiretta tramite il gateway indicato 45 Esempio 1: host semplice (Linux) Gateway = & Iface = ethn consegna diretta Gateway = & Iface = lo agli strati superiori Altrimenti consegna indiretta tramite quel gateway 46 23

24 Esempio 2: multi-homed host (Linux) 47 Configurazione delle interfacce di rete ipconfig /all (Windows 2X) visualizza la configurazione IP corrente di ciascuna interfaccia di rete presente nella macchina: indirizzo MAC indirizzo IP subnet mask default gateway server DNS Su Windows 9x: winipcfg Su UNIX/LINUX: ifconfig 48 24

25 Comando IPCONFIG Esempio 49 Configurazione manuale dei parametri IP 50 25

26 Configurazione automatica dei parametri IP 51 DHCP RFC 2131,2132 Dynamic Host Configuration Protocol Configurazione automatica e dinamica di Indirizzo IP Netmask Broadcast Host name Default gateway Server DNS Server su porta 67 UDP 52 26

27 DHCP 1 Quando un host attiva l interfaccia di rete, invia in modalità broadcast un messaggio DHCPDISCOVER in cerca di un server DHCP DHCPDISCOVER 53 DHCP 2 Ciascun server DHCP presente risponde all host con un messaggio DHCPOFFER con cui propone un indirizzo IP DHCPOFFER DHCPOFFER 54 27

28 DHCP 3 L host accetta una delle offerte proposte dai server e manda un messaggio DHCPREQUEST in cui richiede la configurazione, specificando il server DHCPREQUEST 55 DHCP 4 Il server DHCP risponde all host con un messaggio DHCPACK specificando i parametri di configurazione DHCPACK 56 28

29 DHCP relay (1) DHCP funziona anche tra reti diverse, tramite un agente di inoltro (relay agent) Il router non inoltra i broadcast Il relay agent intercetta le richieste Client Relay Router Server 57 DHCP relay (2) DHCP funziona anche tra reti diverse, tramite un agente di inoltro (relay agent) Il router non inoltra i broadcast Il relay agent intercetta le richieste e le inoltra direttamente al server Client Relay Router Server 58 29

30 DHCP leasing DHCP permette l allocazione dinamica degli indirizzi IP Host diversi possono utilizzare lo stesso indirizzo in tempi diversi L allocazione deve essere limitata ad un intervallo temporale stabilito dal server, eventualmente rinnovabile Quando un host viene spento o disconnesso deve rilasciare l indirizzo per renderlo disponibile ad una nuova allocazione Il rilascio può essere esplicito (DHCPRELEASE) o avvenire allo scadere del periodo di lease Il tempo di lease è uno dei parametri forniti dal server nel DHCPOFFER 59 Problematiche dell indirizzamento IP Indirizzi riferiti alla rete di appartenenza se un host viene spostato in un altra rete, il suo indirizzo IP deve cambiare Limitata mobilità degli host utile un meccanismo di configurazione automatica come DHCP Dimensioni delle reti prefissate utili le tecniche di subnetting e CIDR Data l enorme diffusione di Internet, il numero di indirizzi possibili è troppo basso utile l adozione di reti IP private e di tecniche di NAT 60 30

31 IPv6 Stanti i problemi dell IPv4 attualmente in uso si è lavorato su una nuova versione con i seguenti obiettivi Supportare molti miliardi di host Semplificare il routing per avere backbone veloci Offrire meccanismi di sicurezza Offrire qualità di servizio (multimedialità) Gestire bene multicast e broadcast Consentire la mobilità Fare tutto questo consentendo future evoluzioni e garantendo compatibilità col passato 61 IPv6: principali caratteristiche Indirizzi più lunghi: 16 byte (4 righe o 128 bit) Semplificazione dell intestazione obbligatoria Meno campi che nella v4 Non permessa frammentazione Lunghezza minima comunque 10 righe Possibilità di diversi header opzionali Alcuni router, per esempio quelli di transito possono ignorare le intestazioni che non li riguardano Meccanismi per la sicurezza e qualità di servizio Non è ancora chiaro se e quando verrà veramente adottato 62 31