RETI TELEMATICHE Lucidi delle Lezioni Capitolo II

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1 Prof. Giuseppe F. Rossi Homepage: UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI PAVIA Facoltà di Ingegneria A.A. 2011/12 - I Semestre - Sede PV RETI TELEMATICHE Lucidi delle Lezioni Capitolo II Struttura del capitolo (Nota importante) IL PRESENTE CAPITOLO HA SOLO L'OBIETTIVO DI RICHIAMARE PER SOMMI CAPI ALCUNI CONCETTI FONDAMENTALI RIGUARDANTI LE RETI UTILIZZANTI ARCHITETTURA DI COMUNICAZIONE TCP/IP TALI CONCETTI COSTITUISCONO UN PREREQUISITO PER AFFRONTARE I TEMI TRATTATI NELL'INSEGNAMENTO DI RETI TELEMATICHE PER COLMARE EVENTUALI LACUNE SI CONSIGLIA IL LETTORE DI CONSULTARE IL MATERIALE DIDATTICO UTILIZZATO PRESSO I CORSI DI LAUREA DI 1 LIVELLO NELL'INSEGNAMENTO DI RETI DI CALCOLATORI Capitolo II 1-2/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

2 Architettura TCP/IP Le componenti fondamentali Collocazione architetturale dei principali protocolli: la corrispondenza TCP/IP-OSI è possibile solo a livello 3 e (parzialmente) a livello 4 Application Services Applicazioni TCP/IP Presentation Services Session TCP UDP Transport IP (+ protocolli di servizio) work Livelli 1 e 2 (es. Ethernet, Token Ring,... ) TCP/IP Stack Data Link Control Physical OSI Reference Model Architettura TCP/IP Il modello classico di rete La struttura classica di una rete TCP/IP prevede una dorsale (backbone) intermedia con commutazione dei pacchetti a livello IP (3 ) Router IP (Gateway IP, nel vecchio linguaggio): nodi intermedi di commutazione Non utilizzano i livelli al di sopra del 3 Host IP: nodi finali (mittenti/destinatari) Utilizzano tutti i livelli architetturali Appl. TCP/UDP IP Liv 1 e 2 Router IP IP Router IP IP Router IP IP Router IP IP Appl. TCP/UDP IP Liv 1 e 2 Host IP Capitolo II 3-4/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

3 Il protocollo IP Esistono 2 diverse versioni di Internet Protocol (di fatto sono protocolli tra loro diversi, aventi in comune alcune caratteristiche di base), le quali pertanto determinano 2 diverse architetture di comunicazione TCP/IP Internet Protocol version 4 (IPv4) E' la versione utilizzata da Internet fin dai primi anni '80 IPv4 viene descritto in RFC791 (J. Postel) - Settembre 1981 Internet Protocol version 6 (IPv6), inizialmente noto anche come IPng (IP next generation) Protocollo formalizzato nel corso di una serie di studi iniziati nei primi anni '90 in sede IETF (Internet Engineering Task Force), sostituirà progressivamente a IPv4 IPv6 viene descritto in RFC2460 (S. Deering, R. Hinden) - Dicembre 1998 Il presente capitolo richiamerà solo i concetti di base di IPv4, mentre in altri capitoli del Corso si tratterà nel dettaglio IPv6 Le caratteristiche di base del protocollo IPv4 IPv4 appartiene alla famiglia dei protocolli di tipo non confermato Caratteristiche di IPv4 con riferimento alle funzioni svolte da un livello architetturale Incapsulamento: SI (IPv4 incapsula le PDU provenienti dai livelli superiori) Frammentazione: SI Consegna in sequenza: NO Controllo di flusso: NO Controllo degli errori: sostanzialmente NO; l'unico controllo presente riguarda l'integrità della sola header di IPv4 (vedasi più avanti) Multiplazione dei protocolli (di livello superiore): SI Modalità di trasferimento delle PDU tra le entità comunicanti: connectionless (le PDU-IP prendono il nome di datagram) Capitolo II 5-6/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

4 Il datagram IPv4 Struttura della PDU-DATI del protocollo IPv4 (datagram IPv4), rappresentata su righe di 32 bit a partire dall'alto a sinistra Version H_length Type Of Service Total Length Identification Flags Fragment Offset Header IPv4 Time-To-Live Protocol Header Checksum Source IP ess Destination IP ess IP Option (campi opzionali) Payload Il datagram IPv4 Significato dei campi del pacchetto IPv4 Campo Lung. (in bit) Descrizione Version 4 Versione corrente del protocollo IP, cioé 4 HLength 4 Lunghezza totale della header IPv4 misurata in parole di 32 bit Type Of Service 8 Campo spesso ignorato nelle varie implementazioni di IPv4; al suo interno presenta una struttura particolare che verrà analizzata nella prossima slide. Di recente é stato ridefinito nell'ambito delle tecniche per il raggiungimento di livelli di Quality-of-Service su reti IP (approccio Diff_Serv) Total Length 16 Lunghezza totale in byte del datagram IPv4, compresa la header Identification 16 Campo per la gestione della frammentazione; i fragment originati dallo stesso datagram devono avere lo stesso valore di Identification Flags 3 Campi per la gestione della frammentazione Fragment Offset 13 Campo per la gestione della frammentazione. Esprime il posizionamento (in multipli di 8 byte) della parte DATI del fragment rispetto alla parte DATI del datagram originale Time To Live 8 Protocol 8 Header Checksum 16 Esprime (in secondi) il tempo per il quale un datagram può permanere nella rete. Su ogni nodo intermedio viene decrementato di almeno 1 e, se raggiunge il valore zero, il datagram deve essere scartato Identifica l'ulp il cui messaggio é trasportato nella parte DATI (per esempio TCP=6; UDP=17;... ) Complemento a 1 della somma in complemento a 1 della header IP vista come sequenza di parole di 16 bit Capitolo II 7-8/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

5 Il datagram IPv4 Significato dei campi del pacchetto IPv4 (cont.) Campo Lung. (in bit) Descrizione Source IP ess 32 Indirizzo IP del mittente Dest. IP ess 32 Indirizzo IP del destinatario finale (salvo nel caso in cui é presente la "Source Route Option") IP Options var Estensioni opzionali alla header IPv4 Payload var Messaggio del protocollo di livello superiore Struttura del campo "Type Of Service" (TOS) Struttura del campo "Flag" Precedence D T R C 0 0 DF M Unused (deve essere '0') Minimize cost Maximize reliability Maximize throughput Minimize delay Indica l'importanza del datagram More Fragment Don't Fragment Reserved (deve essere '0') Gli indirizzi IPv4 sono di lunghezza fissa pari a 32 bit (4 byte) e sono espressi con notazione "dotted decimal" (si esprime il valore decimale di ogni byte) IPv4 definisce 3 tipi di indirizzi Unicast Multicast Broadcast Schemi di indirizzamento Schema iniziale: su base classe (classfull) Schema introdotto alla fine del '93: non su base classe (classless) Capitolo II 9-10/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

6 Lo schema classfull Lo spazio di indirizzamento IPv4 è suddiviso in 5 insiemi di dimensioni diverse (agli archi dell'albero qui sotto riportato sono stati associati i prefissi binari che identificano i 5 insiemi) Spazio IPv4 0* 1* Indirizzi di classe A (2 31 ) 10* 11* Indirizzi di classe B (2 30 ) 110* 111* C D B E A Indirizzi di classe C (2 29 ) Spazio di indirizzamento IPv4 (2 32 ) 1110* Indirizzi di classe D (2 28 ) 1111* Indirizzi di classe E (2 28 ) Lo schema classfull I 5 insiemi (A, B, C, D, E) che identificano le classi sono tra loro disgiunti Ognuno degli insiemi A, B, C (spazio unicast) si suddivide in una serie di sottoinsiemi Ciascun sottoinsieme è identificato da un _ I sottoinsiemi sono tra loro disgiunti I sottoinsiemi sono di ugual cardinalità I _ appartenenti ad una data classe sono identificati da prefissi costituiti dallo stesso numero di bit Classe A Prefisso "0*" (Bin) di 8 bit 2 7 _ 2 24 indirizzi per ogni _ Classe B Prefisso "10*" (Bin) di 16 bit 2 14 _ 2 16 indirizzi per ogni _ Classe C Prefisso "110*" (Bin) di 24 bit 2 21 _ 2 8 indirizzi per ogni _ Capitolo II 11-12/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

7 Lo schema classfull (senza subnetting) Rappresentazione grafica dello spazio di indirizzamento IPv4 unicast (senza subnetting): esso costituisce uno schema d'indirizzamento gerarchico a 2 livelli Rappresentazione grafica dello spazio di indirizzamento di una classe unicast (A, B, o C) Rappresentazione grafica dello spazio di indirizzamento di un _ di classe A, B, o C Lo schema classfull Rappresentazione grafica dello spazio di indirizzamento IPv4 multicast Group Group Group Group Group Group Group Group Group Group Group Group Group Group Group Group Rappresentazione grafica dello spazio di indirizzamento della classe D multicast Capitolo II 13-14/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

8 Lo schema classfull Considerazioni sullo schema classfull Lo spazio di indirizzamento IPv4 unicast identificato da un _ può essere suddiviso in diversi sottoinsiemi (subnet), i quali, a loro volta, possono essere ri-suddivisi in sotto-sottoinsiemi (subnet di subnet), e così via Un simile schema di indirizzamento è caratterizzato dalle seguenti gerarchie Il livello gerarchico massimo è identificato dal _ (non esiste alcuna possibilità di definire delle gerarchie all'interno del campo _) Una strutturazione a più livelli gerarchici può essere definita solo all'interno del campo Host_ attraverso una serie di operazioni di subnetting Lo schema classfull (con subnetting) Rappresentazione grafica dello spazio di indirizzamento IPv4 unicast (con subnetting): esso costituisce uno schema d'indirizzamento gerarchico a più di 2 livelli Subnet Subnet Subnet Subnet Rappresentazione grafica dello spazio di indirizzamento di un _ di classe A, B, o C Rappresentazione grafica dello spazio di indirizzamento di una subnet di un _ di classe A, B, o C Capitolo II 15-16/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

9 Lo schema classless Lo schema classless Introduzione del concetto di prefisso IP (IP-prefix) Il nuovo schema permette di introdurre gerarchie d'indirizzamento anche all'interno del "vecchio" campo _ ottenendo così un'aggregazione di più _ (supernetting) in un'unica regola Il vecchio schema su base classe non é altro che un caso particolare del nuovo schema a prefissi Questo schema prende il nome di classless addressing scheme (impropriamente viene anche chiamato CIDR - Classless InterDomain Routing) Le caratteristiche del protocollo UDP UDP è un protocollo non confermato Caratteristiche di UDP (con riferimento alle funzioni svolte da un livello architetturale) Encapsulation: SI (UDP incapsula le PDU provenienti dai livelli superiori) Segmentation/Fragmentation: NO Ordered delivery: NO Flow control: NO Error control: sostanzialmente NO; l'unico controllo (opzionale) presente riguarda l'integrità della PDU (vedasi più avanti) Protocol multiplexing: SI Connection control: UDP è di tipo connectionless (le PDU si chiamano datagram UDP) Capitolo II 17-18/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

10 Le caratteristiche del protocollo UDP Il formato del datagram UDP (PDU-DATI di UDP) UDP header Source Port Message Length Destination Port Checksum Payload Le caratteristiche del protocollo UDP Il significato dei campi della header UDP Campo Lung. (in bit) Descrizione Source Port 16 Port_Number locale associato al processo che invia dati Destination Port 16 Port_Number sul quale il processo remoto sta aspettando i dati Message Length 16 Lunghezza totale in byte del datagram UDP compresa la header Checksum 16 Campo di controllo (opzionale) dell'intero datagram (se non usato vale 0) Payload Var Messaggio trasportato (del livello superiore) Capitolo II 19-20/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

11 Le caratteristiche del protocollo UDP Algoritmo di calcolo del campo Checksum Complemento a 1 della somma in complemento a 1 su 16 bit (lo stesso algoritmo usato per l'header_checksum di IPv4) del messaggio costruito concatenando UDP pseudo-header UDP header UDP payload La pseudo-header UDP non viene trasmessa e contiene al suo interno gli indirizzi IPv4 di mittente e destinatario: questo costituisce una netta violazione del principio di indipendenza tra livelli, in quanto introduce una interdipendenza tra i livelli 3 e 4 Pseudo-Header UDP Header UDP Payload Le caratteristiche del protocollo TCP TCP è un protocollo confermato Caratteristiche di TCP (con riferimento alle funzioni svolte da un livello architetturale) Encapsulation: SI (TCP incapsula le PDU provenienti dalle applicazioni a livello superiore) Segmentation/Fragmentation: NO Ordered delivery: SI Flow control: SI Error control: SI Protocol multiplexing: SI Connection control: TCP è di tipo connection-oriented (le PDU-TCP si chiamano segment TCP, mentre la sessione comunicativa si chiama connection TCP) Capitolo II 21-22/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

12 Le caratteristiche del protocollo TCP La modalità di trasferimento del TCP A finestra scorrevole di messaggi (sliding window) secondo uno schema di ritrasmissione ARQ di tipo ibrido (tra il Go-Back-n e il Selective-Repeat) L'entità destinataria in generale accetta PDU fuori sequenza (schema Selective-Repeat) che comunque non vengono consegnate al livello superiore fin tanto che la sequenza non è completa, in quanto tutti i protocolli di tipo ARQ 'da specifica' devono comunque sempre garantire l'ordered delivery) Nel caso di errore l'entità TCP mittente ritrasmette tutte le PDU presenti in Wtrasm a partire dalla PDU in errore, cioè la prima della finestra (schema Go-Back-n) Attualmente molte implementazioni di TCP (es. TCP con SACK) permettono la ritrasmissione di sole PDU (presunte) in errore, per cui in quei casi il protocollo TCP adotta un puro schema ARQ Selective-Repeat (quindi Wtrasm >1 e Wrec >1) Le caratteristiche del protocollo TCP Il valore Wtrasm della finestra di trasmissione Per ogni connection TCP attiva (una connection TCP fornisce un servizio di trasferimento duplex) si hanno due Wtrasm, una per ciascun senso, i cui valori sono dinamicamente variabili Wtrasm = min (Wrec, Wcong) Wrec (receiver window) Valore esplicitamente comunicato dall'entità ricevente sulla base del proprio stato di congestione Wcong (congestion window) Valore autoimposto dall'entità mittente attraverso una serie di algoritmi (slow-start, congestion avoidance,... ) sulla base dell'osservazione di alcuni eventi associati a stato di congestione della rete intermedia Capitolo II 23-24/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

13 Le caratteristiche del protocollo TCP Il segment TCP presenta una header minima di 20 byte Source Port Destination Port Sequence Number TCP header Acknowledgement Number H_lnth Reserved Code Bits Window Checksum Urgent Pointer TCP Option Padding Payload URG ACK PSH RST SYN FIN Le caratteristiche del protocollo TCP Il significato dei campi della header TCP Campo Lung. (in bit) Descrizione Source Port 16 Port_Number locale associato al processo che invia dati Destination Port 16 Port_Number sul quale il processo remoto sta aspettando i dati Sequence Number 32 Numero di sequenza del primo byte della parte dati ACK Number 32 Numero di sequenza del primo byte della parte dati del segment atteso HLength 4 Lunghezza della header TCP (in parole da 32 bit) Code Bits 6 Significato del segment (URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN) Window 16 Numero di byte che il destinatario é disposto a ricevere (Wrec) Checksum 16 Campo di controllo su tutto il segment TCP (header + dati) Urgent Pointer 16 Usato per trasmissioni di dati "out-of-band" Payload Var Byte trasportati (del livello superiore) Capitolo II 25-26/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,

14 Le caratteristiche del protocollo TCP Algoritmo di calcolo del campo Checksum Complemento a 1 della somma in complemento a 1 su 16 bit della struttura costruita concatenando (lo stesso algoritmo usato per l'header_checksum di IPv4) TCP pseudo-header TCP header TCP data Come nel caso UDP la pseudo-header TCP non viene trasmessa e contiene gli indirizzi IPv4 di mittente e destinatario (violazione del principio architetturale dell'indipendenza dei livelli) Pseudo-Header TCP Header TCP Payload Il livello applicativo nella architettura TCP/IP I processi applicativi sono le sorgenti e le destinazioni dei traffici trasportati attraverso i protocolli di comunicazione sottostanti Detti processi interagiscono con lo stack TCP/IP attraverso la socket interface La multiplazione dei traffici applicativi utilizzanti lo stesso protocollo di trasporto è permessa attraverso il concetto di port (identificato da un port number) La scelta tra il protocollo TCP e il protocollo UDP dipende dal tipo di applicazione Capitolo II 27-28/28 Copyright Ing. Giuseppe F. Rossi,