Indirizzamento ed instradamento nelle reti IP

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1 Indirizzamento ed instradamento nelle reti IP Reti di Telecomunicazioni LS Prof. Franco Callegati

2 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. 2

3 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) 3

4 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 4

5 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 5

6 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) 6

7 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

8 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 8

9 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 9

10 Classi di indirizzi Network ID 0 Host ID Classe A 1 0 Classe B Classe C Classe D (multicast) Classe E (sperimentale) 32 bit Network ID : Host ID : identifica una rete IP identifica i singoli calcolatori della rete 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 11

12 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

13 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 13

14 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 :

15 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 15

16 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

17 Subnetting: ripartizione logica e fisica SI NO SI / /24 17

18 Subnetting: ripartizione logica e fisica / /24 18

19 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 19

20 IP: instradamento dei datagrammi Routing : scelta del percorso su cui inviare i dati i router formano una struttura interconnessa e cooperante: i datagrammi passano dall uno all altro finché raggiungono quello che può consegnarli direttamente al destinatario 20

21 IP: instradamento dei datagrammi La consegna dei datagrammi IP all host destinatario può avvenire in due modalità: direttamente (direct delivery) : l host destinatario del datagramma è sulla stessa rete fisica di chi trasmette, quindi si spedisce il datagramma direttamente al destinatario indirettamente (indirect delivery) : l host destinatario del datagramma non è sulla stessa rete di chi trasmette, quindi il datagramma è inviato ad un router intermedio 21

22 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 22

23 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 23

24 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 24

25 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 25

26 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 26

27 Comando ARP arp a visualizza il contenuto della cache ARP con le diverse corrispondenze tra indirizzi IP e MAC 27

28 Comando ARP Esempio 28

29 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 29

30 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 30

31 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 31

32 Esempio di lookup 1 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) 32

33 Esempio di lookup 2 Destinazione Netmask Etc Datagramma con IP dest. = != == La riga 2 è quella giusta (network specific) 33

34 Esempio di lookup 3 Destinazione Netmask Etc Datagramma con IP dest. = != != == La riga 1 è quella giusta (default gateway) 34

35 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 35

36 Esempio 1: host semplice (Windows) Gateway = IP locale consegna diretta Gateway = loopback consegna agli strati superiori Altrimenti consegna indiretta tramite il gateway indicato 36

37 Esempio 1: host semplice (Linux) Gateway = & Iface = ethn consegna diretta Gateway = & Iface = lo agli strati superiori Altrimenti consegna indiretta tramite quel gateway 37

38 Esempio 2: multi-homed host (Linux) 38

39 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: Su UNIX/LINUX: winipcfg ifconfig 39

40 Comando IPCONFIG Esempio 40

41 Configurazione manuale dei parametri IP 41

42 Configurazione automatica dei parametri IP 42

43 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 43

44 DHCP 1 Quando un host attiva l interfaccia di rete, invia in modalità broadcast un messaggio DHCPDISCOVER in cerca di un server DHCP DHCPDISCOVER 44

45 DHCP 2 Ciascun server DHCP presente risponde all host con un messaggio DHCPOFFER con cui propone un indirizzo IP DHCPOFFER DHCPOFFER 45

46 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 46

47 DHCP 4 Il server DHCP risponde all host con un messaggio DHCPACK specificando i parametri di configurazione DHCPACK 47

48 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 48

49 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 49

50 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 50

51 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 51

52 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 52

53 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 53