a.a. 2002/03 Architettura di TCP/IP IP L architettura di Internet è organizzata intorno a tre servizi organizzati gerarchicamente Prof. Vincenzo Auletta auletta@dia.unisa.it http://www.dia.unisa.it/~auletta/ Servizi Applicativi FTP, telnet,... Servizio di trasporto affidabile TCP Università degli studi di Salerno Laurea e Diploma in Informatica 2 Servizio inaffidabile di consegna di pacchetti IP IP: Internet Protocol IP:Internet Protocol È il livello di Network di TCP/IP consente a due entità di protocollo di trasporto, residenti su macchine differenti, di scambiare messaggi in modo trasparente Un protocollo datato...... ma non obsoleto Il livello Network si occupa di: servizi di rete indirizzamento istradamento qualità del servizio dimensione massima dei pacchetti controllo degli errori controllo del flusso Delegati al livello di trasporto TCP 3 4
IP: Internet Protocol IP: Internet Protocol IP fornisce un servizio non connesso Ogni datagram (pacchetto IP) è trattato separatamente Pacchetti relativi alla stessa sessione potrebbero seguire percorsi differenti nell internet inaffidabile La consegna del datagram al destinatario non è garantita al meglio delle possibilità (best try) Il protocollo non decide mai deliberatamente di eliminare un datagram Il protocollo IP provvede a: definire il formato delle unità elementari di dati (datagram) trasferiti su una rete TCP/IP fornire un metodo di indirizzamento universale per l internet scegliere il percorso che un datagram segue nell internet per giungere a destinazione definire le regole che servono a implementare il concetto di consegna inaffidabile di datagram 5 6 Esempio di Architettura di Rete Interazioni di IP con altri Protocolli FTP client FTP server User Proc. User Proc. User Proc. User Proc. Application TCP router TCP TCP UDP Transport IP IP IP 802.3 driver 802.3 driver 802.5 driver 802.5 driver ICMP IP IGMP Network ARP HW Intrfc RARP Link 7 8
Indirizzi IP Formato degli Indirizzi IP 9 Un indirizzo IP identifica univocamente un utente dei servizi di rete L indirizzo è assegnato all interfaccia di rete un host può avere più indirizzi IP (multihomed), uno per ogni interfaccia di rete il formato dell indirizzo è indipendente dal tipo di rete fisica a cui l host è collegato Gli indirizzi sono assegnati da una autorità unica che ne garantisce l univocità Fino al 98 una persona si occupava di tutto Attualmente la Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN) si occupa di assegnare gli indirizzi ed i nomi 10 Sono ampi 32 bit (4 byte) Si scrivono come 4 numeri decimali separati dal carattere. Ogni numero rappresenta il contenuto di un byte ed è quindi compreso tra 0 e 255 Esempi 131.190.0.2 1.1.2.17 200.70.27.33 Indirizzi IP Ogni indirizzo è formato da due parti identificativo di rete identificativo di host Gli indirizzi a due livelli facilitano la politica di gestione degli indirizzi e l istradamento dei datagram sull internet I gateway utilizzano l identificativo di rete per far arrivare il datagram alla rete fisica del destinatario Il gateway della rete del destinatario utilizza l identificativo di host per trasferire il datagram al destinatario Schema di Indirizzamento con le Classi Meccanismo di indirizzamento originario Pensato per l internet degli anni 80 Non ha retto alla enorme diffusione di Internet Prevede 5 classi di indirizzi Le classi differiscono per la lunghezza degli identificativi di rete e di host La lunghezza complessiva è sempre 32 bit La classe di un indirizzo è identificata dai primi 4 bit 11 12
Formato degli Indirizzi di classe A, B e C Formato degli Indirizzi di classe D ed E 0 1 7 8 31 0 1 2 3 31 0 Rete Host 1 1 1 0 Multicast Address Classe A 0 1 2 15 16 31 1 0 Rete Classe B Host 0 1 2 3 23 24 31 Classe D 0 1 2 3 31 1 1 1 1 Classe E Reserved for Future Use 1 1 0 Rete Host 13 Classe C 14 Classe A Identificativo di rete 7 bit max 128 reti valori compresi tra 0.0.0.0 e 127.255.255.255 Identificativo di host 24 bit max 16M host Classe B Identificativo di rete 14 bit max 16K reti valori compresi tra 128.0.0.0 e 191.255.255.255 Identificativo di host 16 bit max 64K host 0 1 7 8 31 0 1 2 15 16 31 15 0 Rete Host 16 1 0 Rete Host
Classe C Identificativo di rete 21 bit max 2M reti valori compresi tra 192.0.0.0 e 223.255.255.255 Identificativo di host 8 bit max 256 host Classe D destinato per un insieme di host che appartengono ad un gruppo multicast valori compresi tra 224.0.0.0 e 239.255.255.255...lo vedremo in dettaglio in seguito 0 1 2 3 23 24 31 1 1 0 Rete Host 0 1 2 3 1 1 1 0 multicast group ID 31 17 18 Classe E destinato per usi futuri valori compresi tra 240.0.0.0 e 255.255.255.255 0 1 31 2 3 1 1 1 1 riservato per usi futuri Assegnazione degli Indirizzi L autorità centrale assegna gli identificativi di rete l utente fa richiesta per una classe di indirizzi L amministratore di rete assegna gli identificativi di host la responsabilità sull univocità degli indirizzi di host è delegata ad un autorità locale E possibile assegnare arbitrariamente indirizzi a host senza richiederli all ICANN...questi indirizzi non possono essere utilizzati sull Internet 19 20
Indirizzi di Rete e Indirizzi di Host Un indirizzo IP si può riferire sia ad un singolo host che ad un intera rete l indirizzo di host 0 è riservato e identifica la rete nel suo complesso utilizzato nelle tabelle di routing Esempio 192.41.218.10 identifica l host 10 della rete di classe C 192.41.218 192.41.218.0 identifica la rete di classe C 192.41.218 Ordine di Trasmissione network byte order: bit 0-7 bit 8-15 bit 16-23 bit 24-31 Byte ordering per interi binari: Macchine con Big Endian: o.k. Macchine con Little endian...devono fare la conversione a network byte order 21 22 23 IP Routing: Cenni Se la destinazione è connessa direttamente all host o su una rete condivisa (e.g. ethernet/token ring): il datagram è mandato direttamente a destinazione Altrimenti l host manda il datagram ad un router di default che lo spedirà a destinazione è tutto semplice?... 24 IP Routing: Tavola di Routing Lo strato di IP di un sistema può essere configurato come un host oppure come host+router Lo strato di IP ha una tavola di routing (che usa ogni volta che riceve un datagram) contenente: Indirizzo IP di destinazione: di rete o completo Indirizzo di next-hop router o di net-id direttamente connessa Flag: specificano il tipo dei due indirizzi precedenti specifiche di quale interfaccia di rete su cui immettere il datagram per la trasmissione /sbin/route (...Unix) route PRINT (NT)
25 Utilizzo della Tavola di Routing matching con l indirizzo di host completo manda il pacchetto al next-hop router o all interf. connessa direttamente (indicati) point-to-point matching con l indirizzo di rete manda il pacchetto al next-hop router o all interf. connessa direttamente (indicati) ethernet default route manda il pacchetto al next-hop router indicato altrimenti... packet undeliverable host unreachable network unreachable 26 Indirizzi Riservati tutti 0 questo host tutti 0 host host su questa rete tutti 1 rete tutti 1 tutti gli host della rete broadcast limitato tutti gli host di rete broadcast diretto 127 any (in genere 0.0.1) loopback Indirizzi di Broadcast Un indirizzo con tutti i bit dell identificativo di host uguali ad 1 identifica tutti gli host di una rete: net-id broadcast un datagram spedito ad un indirizzo broadcast verrà consegnato a tutti gli host della rete su alcune reti può essere molto costoso Esempio 192.41.218.255 identifica tutti gli host della rete 192.41.218.0 L indirizzo 255.255.255.255 identifica tutti gli host della rete a cui è collegato il mittente: Indirizzo di Loopback L indirizzo 127.0.0.1 è riservato per il loopback l indirizzo identifica lo stesso host che ha spedito il datagram utile per test e debugging consente di gestire la comunicazione tra processi sulla macchina locale allo stesso modo che tra processi remoti lo standard IP vieta di definire indirizzi con identificativi di rete 127 27 28
Indirizzi Locali Reti Logiche e Fisiche: Esempio di classe C Alcuni identificativi di rete sono stati riservati per uso privato Ogni organizzazione è libera di assegnare questi indirizzi ai suoi host I router non istraderanno mai datagram da e verso host con questi indirizzi Indirizzi disponibili 10.0.0.0 172.16.0.0 192.168.0.0 192.41.218.0 193.205.162.0 193.205.162.0.1.2.254 Router.3.254.4 Bridge.1.2 29 30 Debolezze dello Schema di Indirizzamento Esaurimento degli Indirizzi di classe B 31 L indirizzo IP si riferisce alla connessione alla rete se un host cambia rete deve cambiare indirizzo Problematico gestire utenti mobili Se un host ha più indirizzi il comportamento del protocollo IP dipende dall indirizzo utilizzato se una rete di classe C supera i 255 host tutti gli indirizzi devono essere riconvertiti a classe B Cambia l identificativo di rete Tutti i router dovrebbero aggiornare le tabelle di routing Nessuno richiede indirizzi di classe C 32 una rete di 256 host richiede un indirizzo di classe B oltre 65000 indirizzi inutilizzati gli indirizzi di classe B sono quasi esauriti Come migliorare l utilizzo dello spazio degli indirizzi di IP, mantenendo la compatibilità con il vecchio sistema? Assegnare lo stesso identificativo di rete a più reti fisiche...subnetting
33 Subnetting L indirizzo IP è diviso in una parte pubblica (ex rete) ed una parte locale (ex host) parte pubblica parte pubblica il routing nell internet è fatto sulla parte pubblica Compatibile con il vecchio schema parte locale rete host dimensione ridotta delle tavole sull Internet la parte locale è divisa in un identificativo di rete fisica ed un identificativo di host 34 Uso del Subnetting La dimensione dell identificativo di rete della parte locale non è fissata consente la massima flessibilità per la gestione dello spazio degli indirizzi una rete di classe B può essere divisa per esempio in 254 sottoreti da 254 host (8 bit net-id + 8 bit host)...-2 6 sottoreti da 8190 host (3 bit net-id + 13 bit host)...-2 8190 sottoreti da 6 host (13 bit net-id + 3 host)...-2 Per interpretare correttamente gli indirizzi c'è bisogno di distinguere tra identificativo di rete e host Netmask Esempio di Netmask 35 Un amministratore che vuole partizionare una rete in sottoreti deve definire una netmask maschera di 32 bit bit a 1 in corrispondenza dei campi network e subnetwork bit a 0 in corrispondenza del campo host Lo standard ammette tutte le sequenze di 32 bit come maschere nella realtà vengono utilizzate solo maschere costituite da una sequenza di 1 seguita da una sequenza di 0 Es. 11111111 11111111 11111000 00000000 (255.255.248.0) 36 Partizionare la rete di classe B 140.252.0.0 in 14 subnet da 4094 host Netmask 255.255.240.0 o 140.252.0.0/20 11111111 11111111 11110000 00000000 Notazione alternativa {network, subnet, host} La sottorete 2 ha indirizzo (140.252, 2, 0) L indirizzo di broadcast della sottorete 2 è (140.252, 2, -1)
Subnet Classe C: 192.41.218.0/28 Indirizzi di Broadcast per Sottoreti NET ID PRIMO HOST ULTIMO NET ID PRIMO HOST ULTIMO.0.1.14.128.129.142.16.17.30.144.145.158.32.33.46.160.161.174.48.49.62.176.171.190.64.65.78.192.193.206.80.81.94.208.209.224.96.97.110.224.225.238 Lo standard stabilisce che con k bit si possono specificare 2 k indirizzi di sottoreti anche la sottorete 0 e la sottorete 2 k -1 Ogni sottorete ha un proprio indirizzo di rete ed un indirizzo di broadcast indirizzo di host formato da tutti 0 o tutti 1 E possibile associare anche un indirizzo di rete ed un indirizzo di broadcast all insieme delle sottoreti però non si possono usare gli indirizzi di sottorete 0 e 2 k -1 37.112.113.126.240.241.254 38 la soluzione dipende dal router i router CISCO vietano l uso di 0 e 2 k -1 come indirizzi di sottorete Indirizzi di Subnet di Lunghezza Variabile Schema di Indirizzamento senza Classi (CIDR) E possibile costruire sottoreti con netmask di lunghezza differente Es. divide una rete di classe C in una sottorete con 126 host e due sottoreti con 62 host L utilizzo di netmask di lunghezza differente rende più difficile la gestione dell instradamento ed è sconsigliata si possono creare indirizzi ambigui (soprattutto per broadcast) Agli inizi degli anni 90 ci si è resi conto che gli indirizzi disponibili si stavano esaurendo la soluzione del subnetting aveva solo rinviato il problema Soluzioni Allargare lo spazio di indirizzamento a 128 bit (IP6) a larga scadenza Rendere più flessibile l utilizzo degli indirizzi a 32 bit (indirizzi senza classi CIDR) a breve scadenza 39 40
41 Supernetting Lo schema CIDR consente di assegnare alla stessa rete fisica un blocco di indirizzi di rete consecutivi (net, count) count indirizzi di rete a partire da net Consente anche di ridurre le dimensioni delle tavole di routing Esempio: (192.41.218.0, 2) identifica le reti di classe C 192.41.218.0 e 192.41.219.0 permette di assegnare ad una rete di 256 host due indirizzi di classe C consecutivi invece che un indirizzo di classe B 42 Indirizzi CIDR e Bitmask Lo schema CIDR consente di assegnare blocchi di indirizzi di dimensione 2 k, per ogni k Utilizza una bitmask (equivalente a netmask) per identificare la dimensione dei blocchi Esempio: assegnare un blocco di 2048 indirizzi a partire da 128.211.168.0 Servono 11 bit per identificare ogni host Indirizzo CIDR 128.211.168.0/21 Tutti gli indirizzi di un blocco hanno un prefisso comune identificato dalla bitmask il prefisso è utilizzato nelle tabelle di routing come indirizzo di rete Filosofia di CIDR Formato del Datagram IP L accesso all internet è gestita dagli ISP bit 0 4 8 16 19 31 43 ad ogni ISP è assegnato un blocco di indirizzi contigui distinto Ogni ISP subnetta il suo blocco di indirizzi in sottoblocchi contigui da assegnare ai suoi clienti ogni sottoblocco sarà identificato da un prefisso comune ed una bitmask L istradamento è più facile un router conosce le rotte solo agli host del suo blocco tutto il traffico rimanente è inviato al router del superblocco che lo contiene 44 Vers Hlen Serv. Ty. Total Length Identification Fl.s Fragment Offset Time To Live Protocol Header Checksum Source IP Address Destination IP Address Options 20 byte
45 Formato del Datagram IP (I word) Version numero di versione del protocollo: 4 (IPv4) HLEN lunghezza dell header in parole a 32 bit normalmente 5, quando non ci sono opzioni Type of Service (TOS) tipo di servizio richiesto (molti router non lo supportano)...dettagli slide successive Total Lenght lunghezza del datagram in byte 46 Utilizzo del Type of Service bit 0 2 3 4 5 6 7 prio D T R non usa Ogni router dovrebbe supportare almeno due classi di priorità high per informazioni di servizio, low per traffico normale Uno solo di D, T e R è settato D = minima distanza T = massimo throughput R = massima affidabilità Recentemente l utilizzo del TOS è stato ridefinito per consentire la gestione da parte dei router di gruppi di servizi differenziati (DiffServ) Compatibile con il vecchio formato 47 Valori di Type of Service (TOS) Application Min. Delay Max Thr. Max Rel. Min. Cost Telnet 1 0 0 0 FTP Control 1 0 0 0 FTP Data 0 1 0 0 SNMP 0 0 1 0 DNS (UDP) 1 0 0 0 DNS (TCP) 0 1 0 0 NNTP 0 0 0 1 48 Incapsulamento dei Datagram Il datagram deve essere incapsulato nei frame della rete fisica Frame header Datagram header Datagram Data Frame data Per questioni di efficienza vorremmo datagram che entrano in un frame, ma... la dimensione dei frame (MTU) cambia da rete a rete la sorgente non conosce l MTU delle reti fisiche che il datagram deve attraversare
Frammentazione dei Datagram Per trasmettere un datagram sulla rete fisica bisogna inserirlo nei frame Ogni rete fisica definisce un proprio limite superiore alla lunghezza dei frame (MTU) Se il datagram ha dimensione maggiore del frame deve essere frammentato Frammentazione dei Datagram IP si preoccupa di frammentare il datagram e di ricomporlo ogni frammento ha lo stesso formato di un datagram Il destinatario deve essere in grado di ricostruire il datagram originario La seconda parola (word) dell header di ogni frammento contiene le informazioni relative alla frammentazione 49 50 Formato del Datagram IP (II word): Esempio Frammentazione 51 Identification intero che identifica univocamente il datagram originario, mandato dal sender host Fragment offset posizione del frammento nel datagram originario, calcolata in ottetti (byte) a partire dall inizio del campo dati Flags informazioni di controllo della frammentazione DO NOT FRAGMENT MORE FRAGMENTS 52 Datagram header I blocco II blocco III blocco Frammento 1 header Frammento 2 header Frammento 3 header I blocco Offset 0 II blocco Offset 600 III blocco Offset 1200
53 Formato del datagram IP (III word): Time to Live (TTL) max numero di router che datagram può attraversare nella rete iniz. a 32 o 64, ogni router decrementa il valore di 1 previene loop tra router (quando arriva a zero il datagram è soppresso) Protocol nome del protocollo che ha richiesto il servizio Header checksum controllo degli errori calcolato solo sull header, se ci sono errori è scartato. (il TTL modificato dai router si deve incrementare CS) protocolli strati sup. hanno la loro CS per coprire i loro header e dati. 54 Formato del Datagram IP (IV-V word) Source IP destination indirizzo IP dell host che ha spedito il datagram Destination IP destination indirizzo IP dell host a cui il datagram è diretto 55 Campi Opzionale dell Header Il campo Options contiene informazioni facoltative utili per test e debug la dimensione di OPTIONS è variabile Ricavabile dal campo LENGTH dell header del datagram Principali opzioni Record Route registra l IP number di ogni router attraversato Timestamp registra sia l IP del router che il tempo Source Route il mittente specifica i router che deve/può attraversare 56 Formato Opzione Record Route bit 0 8 16 24 31 CODE Length Pointer First IP Address Second IP Address Ogni router inserisce il proprio indirizzo in coda alla lista se c è spazio Length indica la lunghezza della lista Pointer la posizione dove inserire...
Formato Opzione Source Route bit 0 8 16 24 31 CODE Length Pointer IP Address of first hop IP Address of second hop Due tipi di source routing Strict (specifica tutti gli hop) Loose (specifica solo alcuni hop) 57... 58 Configurazione Interfaccia di Rete Il comando (UNIX/LINUX) utilizzato per configurare l interfaccia di rete e controllarne lo stato è /sbin/ifconfig ipconfig per sistemi Windows argomenti nome dell interfaccia da controllare o configurare famiglia di indirizzi principali parametri up/down (attivazione e disattivazione dell interfaccia) arp (abilita o disabilita uso di ARP) allmulti (abilita o disabilita modalità promiscous) mtu N (fissa a N la massima dimensione di un frame) netmask addr (setta netmask) multicast (abilita il multicasting) hw (setta indirizzo fisico) dstaddr addr (setta indirizzo dest. per linea poit-to-point) 59 Esempio di Uso ifconfig eth0 lo Link encap:ethernet HWaddr 00:A0:CC:53:D6:EF inet addr:192.41.218.37 Bcast:192.41.218.255 Mask:255.255.255.0 UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1 RX packets:320193 errors:1 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:36528 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:100 RX bytes:51057286 (48.6 Mb) TX bytes:4326559 (4.1 Mb) Interrupt:5 Base address:0xd000 Link encap:local Loopback inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0 UP LOOPBACK RUNNING MTU:16436 Metric:1. 60 Statistiche sullo Stato della Rete E possibile ottenere informazioni sullo stato del sottosistema di comunicazione con il comando netstat stato delle connessioni aperte tabelle di istradamento stato delle interfacce attive statistiche relative ad un certo protocollo Per conoscere lo stato delle interfacce usare netstat in mostra indirizzi numerici indica numero di pacchetti trasmessi e ricevuti correttamente, con errori o rimossi Kernel Interface table Iface MTU Net RX-OK RX-ERR TX-OK TX-ERR eth0 1500 0 323616 1 36993 0 BMRU lo 16436 0 289 0 289 0 Flg LRU