IPv4. Internet e Intranet Oggi. arcipelago scrl

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1 IPv4 Internet e Intranet Oggi

2 Il protocollo IP E un protocollo di livello 3 Si occupa quindi dell indirizzamento e instradamento dei pacchetti (o datagram) sulla rete La consegna dei pacchetti IP ha caratteristiche di: inaffidabilità (unreliable) assenza di connessione (connectionless)

3 IP - Architettura di Internet Applicazioni Servizio di Trasporto Affidabile Consegna pacchetti connectionless

4 Consegna inaffidabile IP non offre garanzie sulla consegna dei datagram In caso di guasti prima della consegna (es. un router fuori servizio), il protocollo IP scarta il datagram cerca di inviare un messaggio di errore al mittente L affidabilità va garantita dai livelli superiori Il servizio offerto da IP è detto best-effort

5 Consegna connectionless IP non conserva informazioni di stato sui datagram in corso di trasmissione Ogni datagram viene instradato in modo indipendente dai precedenti Può quindi accadere che due pacchetti provenienti dallo stesso host e aventi la stessa destinazione facciano strade diverse

6 Il datagram IP E il PDU del livello 3 (rete) Come tutte le PDU ha una parte detta header e una dedicata ai dati La parte di header contiene le informazioni di controllo del protocollo nonché gli indirizzi (ovviamente indirizzi Internet) del sorgente e del destinatario

7 Dimensioni del datagram I datagram possono avere dimensioni variabili L attraversamento di reti fisiche diverse (es. Ethernet o Token Ring) interviene sulla lunghezza massima del datagram (compatibile con quella del frame locale) Si definisce così il concetto di MTU (Maximum Transfer Unit ) (es: MTU=1.5 kb su Ethernet)

8 Frammentazione (1) Il problema delle dimensioni del datagram è trasparente a sorgente e destinatario. Si ricorre alla frammentazione del datagram per inviarlo in più frame di livello 2 Il datagram viene frammentato in parti che conservano la struttura del datagram originale

9 Frammentazione (2) Per convenzione, i gateway di Internet sono progettati per trasportare datagram lunghi almeno 576 byte senza frammentarli La frammentazione ha controindicazioni : aumenta l overhead riassemblaggio in ricezione se perdo una parte, perdo tutto il datagram originale

10 Il formato del datagram IP Intestazione (header) 20 byte Opzioni (se presenti) Dati

11 L intestazione del datagram IP VER HLEN TOS total length Identification F L A G fragment offset TTL protocol header checksum source IP address destination IP address 32 bit

12 IP Header: i campi VER: 4 bit HLEN: 4 bit, indica la lunghezza dell header in parole da 32 bit Type of service (TOS): che tipo di servizio richiede il datagram (minimize delay, maximize throughput, maximize reliability, minimize cost ) Total Length: 16 bit, indica la lunghezza del datagram in byte (incluso header)

13 IP Datagram Identification, Flags, Fragment offset: controllano le operazioni di frammentazione e riassemblaggio. Identification: permette di riconoscere a quale datagram il frammento appartiene Flags (2 bit): don t fragment e last fragment

14 IP Datagram TTL (time to live): indica per quanti hop un datagram è autorizzato a essere instradato sulla rete verso nodi successivi Protocol: indica il formato dei dati specificando un protocollo di livello superiore

15 Il protocollo ICMP ICMP (Internet Control Message Protocol ) è solitamente considerato parte del livello IP Comunica messaggi di errore e altre condizioni che richiedono attenzione. Può trasportare richieste di informazioni e risposte alle richieste. I messaggi ICMP sono trasmessi all interno di datagram IP

16 Formato del messaggio ICMP type code checksum data

17 Tipologia dei messaggi ICMP Esempi di messaggi ICMP, con campi type e code: messaggio type code echo reply 0 0 messaggio di query network unreachable 3 0 errore host unreachable 3 1 errore port unreachable 3 3 errore destination unknown 3 6 errore echo request 8 0 messaggio di query time exceeded 1 0 errore

18 Applicazione: il comando ping Il nome è ispirato al rumore del sonar Esegue un test di raggiungibilità dell interfaccia di rete di un host remoto Invia un messaggio ICMP echo request ad un host, aspettandosi un echo reply Di default, l ICMP viene inviato ogni secondo allo stesso host; è possibile tuttavia modificare la frequenza di invio

19 Il comando ping Se un host non risponde al ping, non è raggiungibile. ping è spesso usato per rilevare guasti in rete E disponibile su macchine Unix e su PC Informazioni visualizzate da ping: numero di sequenza TTL round-trip-time (tempo impiegato a percorrere la tratta sorgente-destinatario-sorgente)

20 Il comando traceroute traceroute permette di seguire il percorso dei datagram IP hop-per-hop fino a destinazione Funzionamento: traceroute invia datagram IP vuoti, con TTL crescenti e destinati alla porta dell host remoto I router intermedi ritornano ICMP time exceeded La destinazione ritorna ICMP port unreachable Se non ritorna l ICMP in risposta ad un datagram entro un timeout di 3 sec., ho segnalazione di errore (*)

21 La gestione degli Indirizzi

22 Identificatori Universali Servizio di Comunicazione Universale: permette ad ogni host ad esso connesso di comunicare con altri hosts che usano lo stesso servizio Identificatori: Nomi, Indirizzi, Percorsi Standard: comprensibilità o efficienza?

23 Principi Schema di indirizzamento senza vincoli Obiettivo: rendere efficienti le operazioni di routing Un indirizzo è caratterizzato da informazioni sulla rete (netid) e sull host (hostid) Ogni host è individuato da un indirizzo a 32 bit, assegnatogli univocamente

24 Classi di Indirizzo Esistono tre classi di indirizzi Internet (A,B,C), caratterizzanti il numero di hosts di ciascuna rete Le classi si distinguono osservando i primi due bit dell indirizzo.

25 Classi di indirizzo Classe A 0 netid=7 bit hostid=24 bit La classe A indirizza 127 reti, ciascuna delle quali può contenere oltre 16 milioni di nodi (hosts) Classe B 1 0 netid=14 bit hostid=16 bit La classe B indirizza reti, ciascuna delle quali può contenere nodi (hosts) Classe C 1 1 netid= 22 bit hostid=8 bit La classe A indirizza oltre 1 milioni di reti, ciascuna delle quali può contenere però solo 256 nodi (hosts)

26 Indirizzi di rete e Broadcast Se l indirizzo comprende un hostid di soli 0, per convenzione esso individua la rete, non l host Se l indirizzo comprende un hostid di soli 1, per convenzione esso rappresenta l indirizzo broadcast della rete stessa Un netid di soli 1 indica questa rete

27 Problemi L indirizzo non segue l host Migrazione tra classi Nel caso dei Multi-host, esistono più percorsi verso lo stesso host Network 1 I1 I3 I4 G A B I2 I5 Network 2

28 Rappresentazione decimale L indirizzo Internet viene comunemente rappresentato nella forma: xxx.xxx.xxx.xxx con xxx numero decimale tra 0 e 255 Il primo numero ci permette di riconoscere la classe dell indirizzo Classe A Classe B Classe C

29 Classi di indirizzi IP A: B: C: indirizzo di rete

30 Multi-Homed Hosts Poiché l indirizzo ha informazioni su rete e host, se ho più di una connessione, devo avere due indirizzi Più che un host, un indirizzo individua una connessione ad una rete! Interfaccia #2 Interfaccia #1 G

31 DNS Domain Name System Il DNS è un database distribuito usato per tradurre gli indirizzi IP numerici in nomi di senso più o meno compiuto (hostnames). Esempio: (indirizzo IP) fagiolo.polito.it (hostname) Ogni sottorete di Internet ha un proprio name server con informazioni locali, che può essere interrogato da hosts della stessa rete o remoti.

32 Struttura degli Hostnames fagiolo.polito.it dominio L hostname è diviso in campi separati da punti. I campi non hanno corrispondenza con i quattro campi dell indirizzo IP. Gli ultimi 2 (o talvolta 3) campi sono detti dominio. Danno informazioni su posizione geografica dell host o sulla organizzazione a cui appartiene I primi campi danno informazioni sul tipo di computer, o sulle sue funzioni. Spesso, sono semplici nomi di fantasia.

33 Struttura gerarchica del DNS L organizzazione dei vari campi all interno dell hostname non è casuale: procedendo da destra a sinistra si riconosce una struttura che dà indicazioni sempre più precise sull host. Il dominio è ulteriormente suddiviso in dominio di primo livello (l ultimo campo) e dominio di secondo livello (i campi restanti del dominio) In Internet la corrispondenza: hostname Indirizzo IP deve essere univoca. Non vale il viceversa (uso di alias)

34 Sigle L ultimo campo di un hostname corrisponde al livello gerarchico più elevato. generiche (una volta riservate solo a reti USA): com: organizzazioni commerciali edu: istituzioni accademiche gov: organizzazioni interne al governo USA int: organismi internazionali mil: esercito USA net: organismi controllo reti org: organizzazioni generiche di nazione. Esempi: it =Italia, fr =Francia, uk =Regno Unito, se=svezia, tw=taiwan, jp =Giappone...

35 Funzionamento di un DNS (1) Ogni sottorete è configurata in modo tale che un host funga da name server primario. Un altro host funge spesso da name server secondario, intervenendo in caso di guasto o spegnimento del primario. Quando un nuovo host è aggiunto alla sottorete, il gestore aggiorna il NS primario, aggiungendo indirizzo IP e hostname del nuovo nodo.

36 Funzionamento di un DNS (2) Ogni volta che un utente vuole contattare un host remoto su Internet, può scegliere se usare l indirizzo IP o l hostname. Se usa un hostname, la prima operazione (che è eseguita via software, quindi non dall utente) consiste nel contattare il NS primario per scoprire l indirizzo IP.

37 Funzionamento di un DNS (3) Se il NS non ha quell hostname nel suo database, contatta un altro NS per avere la risposta (natura distribuita del DNS). Quando ha la traduzione, la trasmette all host che ne ha fatto richiesta, e la connessione prosegue senza altri interventi del NS. Ogni nodo conserva in memoria gli ultimi hostname richiesti per non ripetere l interrogazione al name server.

38 Il Comando nslookup nslookup è un comando utente: viene usato per conoscere a quale indirizzo IP corrisponde un determinato hostname e viceversa. Esempio: % nslookup name server: galileo.polito.it IP address: hostname: pol88a.polito.it IP address: riga di comando risposta del server

39 Il Routing IP Il quadro globale

40 Terminologia Routing : processo di scelta di un cammino su cui inviare i datagram IP Router : un computer, avente connessioni a più reti o sottoreti, che opera la scelta del cammino

41 Consegna diretta e indiretta Se due host sono connessi direttamente alla stessa sottorete (intesa come collegamento fisico) si ha consegna diretta Se due host non sono connessi alla stessa sottorete, la consegna è mediata da uno o più router: si ha consegna indiretta

42 Consegna diretta Per decidere se effettuare una consegna diretta, l host mittente controlla la porzione di rete dell indirizzo IP destinatario Se tale porzione coincide con il proprio indirizzo di rete, si ha consegna diretta Il trasferimento avviene mappando l indirizzo IP in un indirizzo LAN di livello 2 In ogni comunicazione tra host, si ha almeno una consegna diretta

43 Consegna Indiretta Il mittente identifica quale router incaricare della consegna del datagram IP tra quelli raggiungibili con consegna diretta Il router incaricato sceglie il router successivo, da lui raggiungibile direttamente, sul percorso verso la destinazione Il datagram passa da router a router fino a quello che lo consegna direttamente a destinazione

44 Le Routing Tables Ogni host coinvolto nella consegna IP ha delle tabelle di routing Ovviamente, le R.T. non possono avere informazioni su ogni possibile destinazione Principio: nascondo l informazione I router remoti instradano usando solo la porzione di rete dell indirizzo IP

45 Il Next-hop Routing Una tabella di routing contiene almeno due informazioni: D = destinazione R = router Il router R è detto next-hop, e corrisponde ad un host raggiungibile direttamente rete A rete rete X B rete INDIR. RETE NEXT DESTINAZ. HOP diretto diretto

46 Instradamenti Default e Specifici Se il next-hop è unico (es: piccola sottorete con unico router), le R.T. degli host possono contenere solo una default route per l esterno L instradamento può essere specificato per host e non per sottorete per ragioni di: testing maggior sicurezza

47 Gestione delle Routing Tables Le tabelle di Routing sono fondamentali per il funzionamento corretto di Internet Problemi da affrontare: come inizializzare le RT? quali informazioni devono contenere? come aggiornarle? consistenza tra RT e assenza di loop

48 Inizializzazione delle RT Dipende dal sistema operativo: lettura da un file di configurazione, eventualmente scritto dall operatore esecuzione di comandi di scoperta da inviare sulla rete richiesta di informazioni con altri host sulla rete locale

49 Core Routing (1) Il routing della fanciullezza di Internet backbone R R R L1 L2 L3 I router nelle reti Li hanno solo informazioni locali. Per il resto delle operazioni, si affidano a dei core router R connessi alla dorsale

50 Core Routing (2) Il Core Routing entra in crisi quando Internet cresce di dimensioni: aumento di complessità; difficile avere consistenza tra core routers occorre avere un core router connesso ad ogni rete locale il protocollo di comunicazione tra core routers non è scalabile

51 Scenario evolutivo Da unico backbone con routing distribuito......a modello gerarchico con regioni isolate che usano un routing interno (IGP=Interior Gateway Protocol), ed un protocollo di routing esterno (EGP=Exterior Gateway Protocol) per collegare le regioni Problema: dimensione delle RT. Uso aggregazione artificiosa degli indirizzi (CIDR)

52 Il Routing IP Gli algoritmi di routing

53 La propagazione delle Routing Tables Le RT possono cambiare a causa di: interventi sulle topologie guasti sovraccarichi L informazione sui cambiamenti deve essere propagata tra i router Esempio di algoritmo di propagazione: Distance Vector (Bellman-Ford)

54 L algoritmo Distance Vector (1) Ogni router scambia periodicamente con i vicini diretti un vettore contenente: le destinazioni (reti) che può raggiungere la distanza da queste misurata in hop (num. router da attraversare compreso se stesso) Il router che riceve il vettore lo confronta con le proprie RT ed effettua modifiche: aggiunge nuove reti cambia instradamenti se nuovi sono più brevi

55 L algoritmo Distance Vector (2) Destinazione Distanza Route Net 1 1 Diretta Net 2 1 Diretta Net 4 8 Router L Net 17 5 Router M Net 24 6 Router J Net 30 2 Router Q Net 42 2 Router J Routing Tables del router K K J Destinazione Distance Vector spedito dal router J Net 1 2 Net 4 3 Net 17 6 Net 21 4 Net 24 5 Net Net 42 3 Distanza

56 L Algoritmo Distance Vector (3) Vantaggi facile da implementare Problemi: lento a convergere propaga errori di routing non molto scalabile (le dimensioni dei messaggi scambiati dai router crescono al crescere della rete)

57 Da Core Routing a Peer Backbones Se la dorsale non è unica, devono essere introdotti dei core routers tra le varie dorsali Nascono molteplici cammini alternativi tra host e host: necessario elevato coordinamento tra core routers per evitare cicli La scelta tra cammini alternativi può essere operata sulla base del numero di hop, della distanza, della capacità dei link, del traffico...

58 Gli Autonomous System (AS) Quando un sito ha una complessa struttura locale (es. molteplici sottoreti e router) ma identità amministrativa è detto Autonomous System Gli AS possono usare qualsiasi protocollo di instradamento, aggiornamento e validazione al loro interno e usano uno o più router per interagire con i core routers I core routers formano essi stessi un AS

59 Definizione di un AS I confini tra AS devono essere precisi per non confondere gli algoritmi di routing A ciascun AS viene assegnato un numero di ID su 16 bit da una authority centrale (INTERNIC, APNIC, RIPE-NCC) Quando due router si scambiano informazioni di raggiungibilità, i messaggi contengono l ID dell AS a cui appartengono

60 Traffico locale e in transito Definiamo traffico locale ad un AS il traffico IP che: ha come sorgente un host dell AS ha come destinazione un host dell AS In tutti gli altri casi, si tratta di traffico in transito sull AS

61 Categorie di AS in base al traffico AS isolato: ha un unica connessione ad un altro AS e porta solo traffico locale AS multihomed: ha connessioni a più di un AS, ma non trasporta traffico in transito AS di transito: ha connessioni a più AS e accetta traffico in transito

62 EGP: Exterior Gateway Protocol E il protocollo usato dagli AS isolati e multihomed per diffondere informazioni di raggiungibilità ai core routers I router che lo usano sono detti router esterni (exterior routers) Nonostante i diversi problemi che presenta e i diversi tentativi di modificarlo, EGP è tuttora uno dei protocolli usati dagli AS su Internet

63 Funzioni di EGP Neighbor Acquisition: un router richiede ad un vicino di accordarsi per comunicare Neighbor Testing: un router controlla sempre se i suoi vicini sono raggiungibili Routing Update: i vicini si scambiano sempre infomazioni di raggiungibilità

64 EGP: Neighbor Acquisition Se gli organismi che controllano due AS decidono di comunicare (cioè di essere dei vicini EGP): programmano i loro router esterni per acquisirsi l un l altro decidono le frequenze di testing (raggiungibilità reciproca) e di polling (per lo scambio degli aggiornamenti delle RT)

65 EGP: Neighbor Testing Importante: verifica la raggiungibilità dei vicini acquisiti Usa la regola del k su n pacchetti per decidere sulla raggiungibilità e la eventuale riacquisizione L isteresi introdotta dal k-su-n può migliorare le prestazioni di algoritmi instabili come il distance vector

66 EGP: Routing Update Un router EGP può scambiare due tipi di dati: raggiugibilità di reti all interno del proprio AS raggiungibilità di reti di cui ha appreso l esistenza ma che non sono nel suo AS Un router EGP non-core deve solo scambiare raggiungibilità di reti all interno del proprio AS

67 EGP: Osservazioni e problemi EGP non propaga distanze tra reti, ma solo raggiungibilità EGP presuppone un core system funzionante, altrimenti la connettività globale svanisce EGP non supporta load sharing tra AS con interfacce multiple: occorre partizionare in sottoreti e assegnare a ciascuna un router esterno EGP non supporta cammini alternativi

68 BGP: Border Gateway Protocol Usato prevalentemente dagli AS di transito BGP permette di specificare politiche di instradamento per scegliere il cammino migliore in presenza di scelte multiple Le politiche di instradamento sono espressione di considerazioni economiche e gestionali, e tengono conto di aspetti di sicurezza

69 Funzionamento di BGP BGP è un algoritmo distance-vector BGP associa ad ogni destinazione tutte le route possibili per raggiungerla (espresse come sequenza di AS id) In BGP, ogni router stabilisce una connessione TCP con un altro router per scambiare tra loro le RT I router si scambiano messaggi di keepalive per verificare la raggiungibilità reciproca

70 Routing in un AS I router di un AS sono detti interni Problema: come fa un router interno a conoscere gli instradamenti dentro l AS? Aggionamenti manuali? Forse per AS di piccole dimensioni... se cambia una rete, bisogna modificare le tabelle di routing su ogni host (richiede tempo e può dare errori) Aggiornamenti automatici

71 Routing in un AS In un AS, i router interni si scambiano dati di raggiungibilità per le reti dell AS Un protocollo per router interni si chiama, genericamente, IGP (Interior Gateway Protocol ) A differenza di EGP, non esiste un unico standard per i protocolli interni Uno o più router implementano sia EGP che un IGP

72 Routing Information Protocol (RIP) Nato presso l Univ. di Berkeley per servire la loro (piccola) rete locale, e distribuito nella suite UNIX 4BSD (routed) Adottato prima che ne fosse definito uno standard (il primo RFC è del 1988) Oggi ha vasta diffusione anche in AS di grandi dimensioni

73 RIP: caratteristiche Usa una implementazione di distance vector Divide gli host in attivi (router) e passivi Gli host attivi pubblicizzano le loro route a tutti gli altri ogni n secondi, sotto forma di coppie (indirizzo, n. di hop) Se un router rileva un instradamento a costo inferiore a quello che ha nelle RT, lo sostituisce (e imposta un timeout)

74 Un esempio Net 1 Net 2 R 1 R 2 R 3 Net 3 R 4 R 5 Net 4 Net 5

75 RIP: problemi Non riconosce automaticamente eventuali loop (occorrono interventi esterni, o modifiche al protocollo) Data la lentezza di propagazione, si possono avere problemi di lenta convergenza o non consistenza delle RT (count to infinity) I problemi nascono dal numero limitato di informazioni scambiate tra i router (solo 2) e dalla mancanza di stretto coordinamento

76 L algoritmo IGRP IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) venne proposto da Cisco Systems Inc. a metà degli anni 80 per superare le limitazioni di RIP E un algoritmo distance vector con metriche più sofisticate linea per linea: ritardo, banda, affidabilità, carico Permette il multipath routing Limite: è solo disponibile sui router Cisco

77 L algoritmo OSPF OSPF (Open Shortest Path First ) è una proposta di IETF dell 89 [RFC 1247] E un algoritmo link-state: ogni router verifica lo stato delle linee verso i router adiacenti e lo invia a tutti gli altri router adiacenti E più veloce a convergere di RIP, ed esegue il bilanciamento del carico sulle linee a costo uguale verso una stessa destinazione Sta avendo larga diffusione

78 OSPF: caratteristiche Discrimina i percorsi verso una stessa destinazione secondo il campo type-of-service Ad ogni interfaccia del ruter può essere assegnato un costo adimensionale basato su throughput, RTT, affidabilità o altro Connessioni punto-punto tra router OSPF non necessitano di indirizzi IP per l interfaccia (risparmio!)

79 CIDR: Classless Interdomain Routing Studiato per ridurre le dimensioni delle RT al proliferare delle reti di classe C Ad un sito che richiede più indirizzi IP questi sono allocati in modo da occupare una sola riga (per tutti) nelle RT, con il criterio del longest match Il routing viene eseguito usando una maschera di bit variabile