Capitolo 4 - parte 2. Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella

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1 Capitolo 4 - parte 2 Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella

2 RFC importanti: Internet Protocol (IP) 791 Internet Protocol Specification - Settembre Requirements for Internet Hosts 1812 Requirements for IP Version 4 Routers 1918 Address Allocation for Private Internets Modifiche al significato degli 8 bit di Type of Service nell header IP: 2474 Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers 3168 The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 2

3 IP IP è progettato per: l uso in reti a commutazione di pacchetto tramettere datagrammi da una sorgente ad una destinazione identificata da indirizzi di lunghezza fissata permettere la frammentazione di datagrammi lunghi, se necessario IP è specificamente limitato nello scopo a fornire le funzioni necessarie a consegnare un datagramma dalla sorgente alla destinazione attraverso un sistema interconnesso di reti. Non possiede meccanismi per aumentare l affidabilità end to end quali il controllo di flusso, consegna in sequenza od altri servizi esistenti in protocolli host to host. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 3

4 versione del protocollo IP Lunghezza Header in parole da 32 bit Ora DSCP+ECN numero progressivo d identificazione numero di salti rimanenti (decrementato di 1 ad ogni router) protocollo a cui consegnare il datagramma Formato Datagramma IP ver lungh. tipo di lunghezza head. servizio identificatore DM fragment (16-bit) 0 F F offset time to IP header live protocol checksum indirizzo IP sorgente (32 bit) indirizzo IP destinazione (32 bit) Opzioni (se presenti) dati (lunghezza variabile tipicamente un segmento TCP od UDP) lunghezza totale del datagramma in byte per la frammentazzione e riassemblaggio calcolato solo sull header IP Per esempio timestamp, record route M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 4

5 Byte Tipo di Servizio Nelle specifiche delle RFC 791 e poi 1340 il byte era diviso in Precedenza (3 bit) Tipo di servizio (4 bit) non usato Bits 0-2: Precedenza: Network Control Internetwork Control CRITIC/ECP Flash Override Flash Immediate Priority Routine Bits 3-6: Tipo di Servizio: Bit 3: 0 = ritardo normale, 1 = minimizzare ritardo. Bit 4: 0 = throughput normale, 1 = massimizzare throughput Bit 5: 0 = affidabilità normale, 1 = alta affidabilità Bit 7: riservato per usi futuri e posto per definizione a 0 M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 5

6 Byte Tipo di Servizio (RFC 1340) Protocollo ValoreTOS TELNET (1) 1000 (minimizzare il ritardo) FTP Control 1000 (minimizzare il ritardo) FTP Data (2) 0100 (massimizzare throughput) TFTP 1000 (minimizzare il ritardo) SMTP Command phase 1000 (minimizzare il ritardo) SMTP DATA phase 0100 (massimizzare throughput) DNS UDP Query 1000 (minimizzare il ritardo) DNS TCP Query 0000 DNS Zone Transfer 0100 (massimizzare throughput) NNTP 0001 (minimizzare il costo monetario) ICMP Errors 0000 ICMP Requests 0000 ICMP Responses 0000 Any IGP 0010 (massimizzare affidabilità) EGP 0000 SNMP 0010 (massimizzare affidabilità) BOOTP 0000 M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 6

7 Byte Tipo di Servizio Sia i bit di precedenza, che quelli di Tipo di Servizio non sono stati di uso comune, nè rispettati spesso nel trattamento dei datagrammi da parte degli host e router o nelle applicazioni. Il servizio Best Effort (valore precedenza e ToS a zero) è stato ed è quello normalmente utilizzato. Con la definizione delle RFC sui Differentiated Services, si è cercato di creare una architettura scalabile e coerente per fornire Qualità di servizio in Internet, cioè servizi di consegna in cui la rete offrisse un trattamento differenziato ai pacchetti in funzione del valore del byte. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 7

8 Byte Tipo di Servizio oggi Nelle specifiche dei servizi differenziati (RFC 2474) il byte viene ridefinito come: Differentiated Services Code Point (DSCP - 6 bit) indicatore congestione Nelle specifiche della RFC 3168 (l aggiunta di una esplicita notifica di congestione ad IP) gli ultimi due bit, non usati da Diffserv, bit vengono ridefiniti per trasportare un segnale di congestione che è attivato dai router ed utilizzato da TCP (non molto diffuso, nè implementato). M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 8

9 Frammentazione e de-frammentazione La frammentazione e de-frammentazione sono possibili fra strati M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 9

10 Dimensione massima Ogni strato riceve dei dati da spedire dallo strato adiacente. Lo strato ricevente aggiunge il proprio header e controlla la dimensione dell unità di informazione che crea. Scendendo verso lo strato fisico esiste infatti una dimensione massima dell unità di informazione trattabile da ogni strato. Nel caso che l unità di informazione superi il massimo consentito, viene spezzata in unità più piccole, cioè frammentata. Lo strato corrispondente del sistema ricevente ricostruirà (riassemblerà) l unità di informazione, in modo trasparente allo strato superiore. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 10

11 Dimensione massima applicazione trasporto messaggio: segmento: virtualmente infinito, limitato dal più grande indirizzo del sistema operativo illimitato, in pratica MSS < e normalmente 1500 byte rete datagramma: < 65535, scelto in funzione del valore massimo del data link data link fisico frame: bit: Ogni tecnologia ha una MTU (Maximum Transmission Unit) diversa < bit M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 11

12 Frammentazione e Riassemblaggio IP Ogni linea può avere un data link diverso ed una MTU diversa. E quindi possibile che un datagramma IP grande sia diviso all interno della rete. 1 datagramma diventa vari datagrammi riassemblato solo nella destinazione finale bit nell header IP usati per identificare e ordinare i frammenti corrispondenti riassemblaggio frammentazione: in: 1 datagramma grande out: 3 datagrammi più piccoli M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 12

13 Frammentazione e Riassemblaggio IP Esempio: Un datagramma di 4000 byte che transita su una linea Ethernet con MTU Viene frammentato in 3 datagrammi - 2 da da 1040 length =4000 ID =x fragflag =0 offset =0 Un unico datagramma grande viene frammentato in vari datagrammi più piccoli length =1500 length =1500 length =1040 ID =x ID =x ID =x fragflag =1 fragflag =1 fragflag =0 offset =0 offset =1480 offset =2960 M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 13

14 Frammentazione e Riassemblaggio IP Identificatore: contiene un valore unico per ogni datagramma. Il valore iniziale è generalmente scelto a caso alla partenza del nodo ed aumentato di uno per ogni datagramma inviato, indipendentemente dal protocollo. Il campo è copiato in ogni frammento. Flags (3 bit): Bit 0: riservato, deve essere zero Bit 1: (DF) 0 = può essere frammentato, 1 = non frammentabile. Bit 2: (MF) 0 = ultimo frammento 1 = altri frammenti. nessun frammento M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 14

15 Frammentazione e Riassemblaggio IP Offset del Frammento: contiene l offset in byte dall inizio del datagramma originale. Quando un datagramma viene frammentato anche i campi lunghezza totale, lunghezza header e header checksum vengono ricalcolati per ogni frammento. Nel caso che anche un solo frammento venga perso, l intero datagramma deve venire ritrasmesso. Se il bit DF è ad 1 naturalmente il pacchetto non viene frammentato ed il router invia al mittente un messaggio di errore utilizzando il protocollo ICMP. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 15

16 Datagrammi grandi o piccoli? Visto il lavoro aggiuntivo, sia nei router, che negli host per la frammentazione, si cerca di evitarla il più possibile imponendo che sia sempre: MSS (TCP) + 40 < più piccola MTU dell intero percorso. D altra parte, dei datagrammi grandi comportanto un miglior utilizzo delle risorse di calcolo del mittente e del ricevente ed anche dei router (un maggior throughput). Un meccanismo utilizzato dai nodi per scoprire la massima dimensione del segmento che può essere spedito senza frammentazione è la path MTU discovery (RFC 1191), che utilizza il protocollo ICMP. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 16

17 Campo time to live Il valore del campo TTL pone un limite al massimo numero di router attraverso cui un datagramma può transitare. Limita in pratica la vita temporale di un datagramma. A B 2 D C E 5 2 F Viene inizializzato ad un valore di 32 o 64 (il massimo valore è 255) e diminuito di un unità da ogni router che attraversa. Quando il valore arriva a zero, il datagramma viene scartato ed un messaggio ICMP viene inviato al mittente. Lo scopo è impedire a datagrammi di vivere indefinitamente nella rete, per esempio a causa di un routing loop M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 17

18 Opzioni IP Le opzioni IPv4 sono limitate nel loro utilizzo dalla lunghezza massima dell header (60 byte di cui 20 utilizzati sempre). Per questo motivo sono raramente usate, poco accessibili attraverso opzioni di socket dal livello applicazione e non tutti i sistemi operativi e router le supportano. Le opzioni sono a lunghezza variabile e sempre allineate a 32 bit. In caso sono terminate da zeri. Il primo byte di ogni opzione contiene 1 bit di copia nei frammenti, 2 di classe e 5 di valore numerico identificativo dell opzione Le opzioni vengono quindi copiate o meno nei frammenti di un datagramma a seconda del valore di un bit del primo byte dell opzione. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 18

19 Opzioni IP Le principali opzioni IPv4 sono: security and handling restrictions (per applicazioni militari) record route (ogni router attraversato registra il proprio indirizzo IP nel datagramma) timestamp (ogni router attraversato registra il proprio indirizzo IP ed il proprio tempo) loose source routing (specifica una lista di indirizzi IP che devono essere attraversati dal datagramma, ma non solo quelli) strict source routing (simile a loose source routing, ma devono essee attraversati solo gli indirizzi nella lista) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 19

20 Indirizzi dal valore particolare: Indirizzamento IP rete nodo questo nodo R 1 N rete.n rete.255 questo nodo in questa rete 127 (qualsiasi valore) 127.nodo loopback broadcast a tutti i nodi rete locale broadcast su una rete locale remota M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 20

21 Indirizzamento IP privati L RFC 1918 Address Allocation for Private Internets definisce tre blocchi di indirizzi che possono essere liberamente usati su una rete locale o privata, ma non esportati nell Internet generale, perché ovviamente duplicati. 1) da a /8 ( nodi) 2) da a /12 ( nodi) 3) da a /16 ( nodi) (1) è una classe A, (2) sono 16 classi B, (3) sono 255 classi C. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 21

22 ICMP: Internet Control Message Protocol Definito dalla RFC 792, è usato dai nodi per scambiare informazioni (per esempio ridirezione fra router, ping) e messaggi di errore (per esempio impossibile frammentare o nodo irraggiungibile). Viene trasportato su IP, ha come numero di protocollo 1. Un messaggio ICMP ha il formato: tipo codice checksum (contenuto in funzione dei valori tipo e codice) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 22

23 ICMP: Internet Control Message Protocol Nel contenuto del messaggio ICMP, nel caso di messaggio di errore, è copiato l header IP ed i primi 8 byte della parte dati del datagramma IP che ha causato l errore (TCP ed UDP hanno le porte nei primi 8 byte del loro header). Tipo Codice Descrizione 0 0 echo reply (ping) 3 0 rete dest. irraggiungibile 3 1 nodo dest. irraggiungibile 3 2 protocollo dest. irraggiungibile 3 3 porta dest. irraggiungibile 3 4 frammentazione necessaria, ma il bit DF è attivato 3 6 rete dest. sconosciuta 3 7 nodo dest. sconosciuto M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 23

24 ICMP: Internet Control Message Protocol Tipo Codice Descrizione 4 0 limitare flusso sorgente (controllo congestione - non usato) 5 0 ridirezione per una rete 5 1 ridirezione per un nodo 8 0 echo request (ping) 9 0 risposta di esistenza di un router 10 0 router discovery 11 0 TTL terminato 12 0 header IP illegale 13 0 richiesta di timestamp 14 0 risposta di timestamp M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 24

25 Ottenere un indirizzo dinamicamente E possibile usare protocolli che, dato un indirizzo di data link (per esempio un indirizzo Ethernet) permettono di richiedere ed ottenere un indirizzo IP ed altre informazioni (quali il default router). La prima soluzione fu RARP, seguito da BOOTP (RFC 951, 1542) che si è evoluto in DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol, RFC 2131). DHCP permette assegnazioni degli indirizzi sia manuali che automatiche e non è necessario che il nodo richiedente ed il server DHCP stiano sulla stessa rete locale. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 25

26 DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol - assegna un indirizzo per un tempo massimo (lease) ed un nodo deve rinnovare il prestito dell indirizzo in uso prima della scadenza - utilizza un pool di indirizzi, che sono riusati se necessario. Un nodo mantiene l indirizzo solo quando è attivo. DHCP in breve : nodo invia un messaggio broadcast DHCP discover il server DHCP risponde con un messaggio DHCP offer nodo richiede un indirizzo IP con DHCP request il server DHCP invia l indirizzo con messaggio DHCP ack M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 26

27 Scenario DHCP client-server Nodo che richiede il suo indirizzo IP Altre reti Pacchetto DISCOVER DHCP (broadcast) Pacchetto unicast dal relay DHCP al server DHCP M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 27

28 DHCP client-server scenario DHCP server: DHCP discover src : , 68 dest.: ,67 yiaddr: transaction ID: 654 client richiedente tempo DHCP request DHCP offer src: , 68 dest:: , 67 yiaddrr: transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 654 Lifetime: 3600 secs DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 28

29 NAT: Network Address Translation Per ovviare alla scarsezza di indirizzi globali pubblici di IPv4, è stato inventato un metodo controverso di permettere l accesso ad Internet a molti nodi utilizzando un numero di indirizzi pubblici inferiore, anche uno soltanto. NAT (RFC 3022) cambia al volo gli indirizzi IP ed altri campi dell header IP con altri, permettendo di avere indirizzi IP diversi fra interno della rete privata e Internet. All interno della rete privata si possono usare, per esempio, gli intervalli di indirizzi privati definiti dalla RFC 1918 M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 29

30 NAT: Network Address Translation resto di Internet rete locale (per esempio rete a casa) / Tutti i datagrammi uscenti dalla rete locale hanno il medesimo indirizzo singolo IP NAT: , ma differenti numeri di porta Datagrammi con sorgente o destinazione in questa rete hanno indirizzi /24 per sorgente, destinazione (come normale) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 30

31 NAT: Network Address Translation Vantaggi: poiché la rete locale usa solo un indirizzo IP pubblico: nessuna necessità di richieere intervalli di indirizzi ad un ISP, ne basta uno solo si possono modificare gli indirizzi interni a piacere, senza interagire con il mondo esterno si può cambiare ISP senza modificare l indirizzamento interno i nodi interni non si possono raggiungere direttamente, ne sono visibili dall esterno, aumentandone la sicurezza M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 31

32 NAT: Network Address Translation Realizzazione - un router NAT deve: in ogni datagramma uscente: riscrivere (indirizzo IP sorgente, porta) con quello pubblico NAT... i clienti/server remoti risponderanno a quest unico indirizzo pubblico creare una tabella NAT di traduzione in cui ogni coppia (indirizzo IP sorgente interno, porta interna) corrisponda ad una porta dell indirizzo pubblico NAT in ogni datagramma in ingresso: riscrivere (indirizzo IP NAT, porta NAT) con (indirizzo IP sorgente interno, porta interna) ricavato dalla tabella NAT M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 32

33 NAT: Network Address Translation 2: Il router NAT cambia l indirizzo di sorgente del datagramma da , 3345 a , 5001, e aggiorna la 2 tabella tabella traduzione NAT ind. lato WAN ind. lato LAN , , 3345 S: , 5001 D: , S: , 3345 D: , : Il nodo invia un datagramma a , S: , 80 D: , : La risposta arriva all indirizzo di destinazione: , 5001 S: , 80 D: , : router NAT cambia l indirizzo di destinazione del datagramma da , 5001 a , M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 33

34 NAT: Network Address Translation Contro ed obiezioni: un nodo non ha un indirizzo pubblico mondiale e non ha un indirizzo fisso verso il mondo esterno ed i router dovrebbero processare i pacchetti solo fino al livello 3 (rete). NAT invece deve entrare nel merito di cosa il livello superiore ha inserito nella parte dati (deve cambiare anche l header TCP ed UDP) cioè il livello 3 parla con il livello 4. Se TCP od UDP cambiassero il proprio protocollo (interno) anche NAT dovrebbe essere modificato E specificato solo per UDP e TCP M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 34

35 NAT: Network Address Translation Contro ed obiezioni (segue): mantiene stato, trasformando la connessione in un servizio orientato alla connessione, più delicato in caso di problemi al router viola il principio end-to-end di Internet alcune applicazioni usano l indirizzo IP sorgente nel corpo del messaggio. In questi casi NAT è inutilizzabile o deve essere modificato opportunamente. Limita cioè la libertà di sviluppo di applicazioni. la scarsità di indirizzi dovrebbe essere risolta da IPv6 M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 4-2 pag. 35