Concetti di Routing, Subnetting e Indirizzamento IP 1
Concetti di Routing e Indirizzamento IP Finora ci siamo focalizzati solo sui meccanismi che regolano le trasmissioni in una rete LAN. Espandiamo ora il concetto studiando in che modo è possibile far comunicare apparati a migliaia di chilometri di distanza. Il concetto alla base di tutto è quello di indirizzamento logico. Un indirizzo logico è un indirizzo di livello Network (o livello 3) e utilizzabile indipendentemente dalle caratteristiche fisiche dell apparato a cui è associato. Per capire meglio il concetto facciamo un analogia con l indirizzo fisico di una scheda di rete. Il MAC Address è un indirizzo univoco: nel mondo non esistono due PC con stesso MAC, inoltre non è possibile 2
modificarlo. Un interfaccia di rete, invece, può utilizzare anche più di un indirizzo logico, è possibile modificarlo e sicuramente nel mondo sono presenti due PC con stesso indirizzo logico. Gli indirizzi logici sono anche detti Indirizzi IP in quanto sfruttati dal protocollo di livello 3 Internet Protocol (IP). Come vedremo, esistono due varianti del protocollo IP IPv4 e IPv6: ciascuna utilizza un diverso formato. Per poter trasmettere in rete ciascun nodo deve possedere un indirizzo IP. Supponiamo che Mario, dall ufficio di Roma, debba inviare un messaggio ad Alice, presente invece a Milano. Quale sarà il percorso seguito dal pacchetto? 3
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1. Mario analizzando l indirizzo IP di destinazione riesce a capire se Alice appartiene alla stesso dominio di broadcast oppure no. La configurazione IP della scheda di rete di Mario prevede l utilizzo di un parametro detto IP Default Gateway o IP Default Router. Tutti i pacchetti destinati a host su differenti domini di broadcast sono inoltrati da Mario al default gateway. In genere l IP Default Gateway è l indirizzo IP configurato sull interfaccia del router ISP, in grado di mettere in comunicazione la LAN con la rete Internet. In questo caso, Mario invierà il pacchetto al suo default router, ovvero a ROUTER_ROMA (vedi figura) 5
2. ROUTER_ROMA riceve il pacchetto IP da Mario. L instradamento (o Routing) da parte di un router avviene utilizzando sempre queste regole: Gli indirizzi ip sono raggruppati in insiemi o classi dette IP Networks o IP Subnets o più semplicemente Reti Ogni router utilizza una tabella detta Routing Table per decidere su quale interfaccia di uscita inoltrare il pacchetto Nella tabella di Routing di ROUTER_ROMA è presente una entry che ordina al router di inoltrare a ROUTER_FIRENZE tutti i pacchetti destinati ad Alice. 6
Quindi, l interfaccia di uscita è scelta analizzando l indirizzo IP di destinazione e non quello sorgente. Il funzionamento è quindi del tutto simile a quello della CAM Table di uno switch. La sostanziale differenza è che in una CAM Table gli indirizzi di destinazione sono Indirizzi Fisici o Mac Address; in una Routing Table gli indirizzi di destinazione sono invece espressi come Indirizzi Logici o IP Address. 3. ROUTER_FIRENZE riceve il pacchetto e consultando la sua routing table, lo invia al router ROUTER_MILANO 4. ROUTER_MILANO riceve il pacchetto e lo inoltra ad Alice. 7
Ciascun router prende decisioni in maniera autonoma basandosi sul contenuto della routing table. Non so se hai fatto caso che nell esempio non si è fatto per niente uso di switch, ma solamente di router. Cosa accadrebbe sostituendo quest ultimi con degli switch? La risposta è molto semplice: non funzionerebbe nulla! Infatti, gli swtich, in quanto apparati di livello 2, non sarebbero in grado di interpretare l indirizzo IP di Mario o Alice e quindi non saprebbero fare routing del pacchetto. Inoltre uno switch non possiede una tabella di routing. Una rete IP per poter funzionare deve quindi contenere al suo interno Router o in generale apparati di livello 3 in grado di comprendere il contenuto dell Header di Rete. 8
La struttura dell Header di Rete IPv4 è illustrata in figura: Tra i campi principali osserviamo la presenza dell indirizzo IP Sorgente (o Source IP) e quello di Destinazione (Destination IP), entrambi composti da 4 byte, ovvero da 32 bit che possono assumere il valore binario 0 o 1. Tuttavia, per la rappresentazione degli indirizzi IPv4 è utilizzata una forma del tipo 192.168.2.x. 9
Quest ultima prende il nome di Notazione Decimale Puntata (Dotted Decimal Notation DDN): in sostanza i 32 bit dell indirizzo sono divisi in quattro gruppi da otto bit (ciascun gruppo è detto Ottetto o Byte). Il codice binario all interno di ciascun ottetto è poi convertito da formato binario a formato decimale. Vedremo meglio il formato DDN nel seguito. Un altra azione svolta dal Routing è quella di raggruppare gli indirizzi IP in insieme, gruppi o classi. Le regole da utilizzare sono: Per poter comunicare gli indirizzi IP in gruppi separati devono far uso almeno di un router (default gateway) 10
Per poter comunicare gli indirizzi IP nello stesso gruppo non devono far uso di router Come detto un indirizzo IP è costituito da 32 bit: gli indirizzi IP associabili ad un host sono quindi 2 32. Tali indirizzi sono suddivisi in base al valore decimale del primo ottetto, in Classi di Indirizzamento. Le classi sono: Classe A: Contiene tutti gli indirizzi IP il cui valore decimale del primo ottetto è compreso tra 1 e 126. Copre la metà dello spazio di indirizzamento complessivo 11
Classe B: Contiene tutti gli indirizzi IP il cui valore decimale del primo ottetto è compreso tra 128 e 191. Copre un quarto dello spazio di indirizzamento complessivo Classe C: Contiene tutti gli indirizzi IP il cui valore decimale del primo ottetto è compreso tra 192 e 223. Copre un ottavo dello spazio di indirizzamento complessivo Classe D: Contiene tutti gli indirizzi IP il cui valore decimale del primo ottetto è compreso tra 224 e 239.Questa classe è dedicata per l indirizzamento di tipo Multicast. Copre un sedicesimo dello spazio di indirizzamento complessivo 12
Classe E: Contiene tutti gli indirizzi IP il cui valore decimale del primo ottetto è compreso tra 240 e 255.Questa classe è dedicata ad usi sperimentali. Copre un sedicesimo dello spazio di indirizzamento complessivo La classe di indirizzamento il cui primo ottetto è 127 è riservata per funzioni specifiche e non può essere utilizzata. Nel seguito tratteremo in maniera approfondita le classi A, B, C Suddividendo lo spazio di indirizzamento in classi, è possibile lavorare con reti di diverso taglio: infatti il numero di indirizzi IP utilizzabili da una rete di classe A è ben diverso da quello di una classe C. 13
La tabella che segue illustra il numero di reti implementabili per ogni classe e il massimo numero di host presente all interno di ciascuna rete. Per Host si intende il numero di indirizzi IP che possono essere assegnati ad apparati o porte di rete. Max Subnet Max Host Classe A 126 16277214 Classe B 16384 65534 Classe C 2097152 254 Quindi attraverso una Classe C è possibile creare un gran numero di reti, tutte composte al massimo da 254 indirizzi IP. Se abbiamo 14
invece bisogno di realizzare una rete molto grande, sceglieremo un indirizzo di classe A, in quanto in grado di ospitare fino a 16277214 indirizzi IP. Per capire se una rete è di classe A, B, C basta verificare il primo ottetto dell indirizzo IP. Ad esempio 10.20.30.40 è un indirizzo di classe A in quanto il primo ottetto (10) è contenuto nel range 1-126. Ulteriori esempi: 180.25.34.1: Indirizzo Classe B perché il primo ottetto (180) è contenuto nel range 128-191 225.1.1.1: Indirizzo Multicast di Classe D perché il primo ottetto (225) è contenuto nel range 240-255 15
222.222.222.1: Indirizzo Classe C perché il primo ottetto (222) è contenuto nel range 192-223 127.0.0.1: Non appartiene a ciascuna classe. Tale rete è infatti riservata 10.10.10.10.10: Non è un indirizzo IP in quanto composto da 5 ottetti (40 bit!). Un indirizzo IPv4 è composto da 32bit e da 4 ottetti separati da un punto Sapresti dirmi la classe associata ai seguenti indirizzi IP? 10.10.120.2 192.168.4.10 130.24.50.1 16
Cerchiamo ora di capire da dove escono fuori i dati in tabella. Ciascun indirizzo IP è suddiviso in due campi: Network rappresenta l identificativo della rete Host: utilizzato per selezionare l host all interno della rete La figura che segue illustra la ripartizione dei campi per le classi A, B e C 17
Classe A: 8 bit campo Network, 24 bit Campo Host Classe B: 16 bit campo Network, 16 bit Campo Host Classe C: 24 bit campo Network, 8 bit Campo Host 18
Una Classe C, utilizza ad esempio 8 bit per il campo Host. Il numero di indirizzi IP assegnabili ad un pc della rete è quindi pari a: 2 8 =256 Di questi, due indirizzi non sono utilizzabili in quanto riservati per scopi speciali: Il primo indirizzo IP di una rete specifica l identificativo della rete o Network ID L ultimo indirizzo IP di una rete specifica l indirizzo di broadcast o Broadcast ID 19
Concetti di Subnetting Quindi in base alle tue esigenze sceglierai una rete di classe A, B o C. Se la rete deve contenere molti host, la scelta di una classe A è certamente indicata. Se invece devi realizzare molte piccole reti, è meglio scegliere una rete di classe C. In quest ultimo caso, la rete conterrà al massimo 254 indirizzi IP assegnabili (Host). Come fare se la tua necessità è creare tante reti composte al massimo da 20 host? 1. Potresti utilizzare un intera rete classe C ma sprecheresti 254-20=234 indirizzi IP in quanto hai bisogno solo di 20 indirizzi IP e una classe C è in grado di contenerne fino a 254. 2. Potresti suddividere una rete di classe C in reti più piccole. Questa operazione prende il nome di Subnetting e la rete 20
risultante Subnet. Quindi più in generale una Subnet è un sottoinsieme di una rete di classe A, B o C. Alla luce di questa definizione riprendiamo l esempio visto in precedenza. Piuttosto che utilizzare tre reti di classe C, possiamo lavorare su un unica rete e definire tre subnet: 21
1. Subnet1: utilizzata da Mario e da tutti i computer presenti sul suo dominio di broadcast 2. Subnet2: utilizzata solo dai router per il trasferimento dei pacchetti 3. Subnet3: utilizzata da Alice e da tutti i computer presenti sul suo dominio di broadcast Fissiamo inoltre le seguenti regole: Host all intero di Subnet differenti per poter comunicare devono far uso almeno di un router (default gateway) Host all intero della stessa Subnet per poter comunicare non devono far uso di router 22
Il disegno di una rete IP deve essere svolto tenendo presente due fattori fondamentali: Il numero di subnet da utilizzare nell architettura Il numero di host da associare ad ogni subnet La dimensione o lunghezza di una Subnet rappresenta il numero di indirizzi IP utilizzabili al suo interno ed è implementata per mezzo di un parametro detto Subnet Mask. Pertanto quello che in genere si fa è associare una Subnet Mask ad una Subnet e su tale base calcolare gli indirizzi IP utilizzabili. Come visto precedentemente se il campo Host di un indirizzo è formato da H bit, allora sarà possibile utilizzare 2 H -2 ip address. Infatti 2 H sono le combinazioni possibili utilizzando H bit nel campo host 23
2 sono gli indirizzi speciali che non possono essere utilizzati in una rete: Network Id e Broadcast Address Il Subnetting introduce un ulteriore campo all interno dell indirizzo Ip, utilizzato per distinguere le subnet associate ad una data classe. Ciascun indirizzo è quindi composto da tre parti: Network: identifica la classe A, B, C originaria Subnet: identifica la subnet all interno della classe utilizzata Host: identifica l host all interno della subnet. 24
La lunghezza (in bit) del campo Network è ovviamente legata alla classe originaria. Ad esempio, utilizzando un indirizzo del tipo 130.x.x.x, la classe di appartenenza è sicuramente B, quindi il campo Network occupa 16 bit. I restanti 16 bit dell indirizzo sono suddivisi nei campi Subnet e Host. Se il tuo vincolo è quello di dover creare molte subnet di piccola dimensione, ti conviene associare quanti più bit possibili al campo Subnet. Viceversa, se devi realizzare poche 25
subnet ma con molti PC al loro interno, sarà conveniente utilizzare più bit per il campo Host. Facciamo un esempio numerico. Chiamiamo con S il numero di bit utilizzati dal campo Subnet, e con H quelli utilizzati dal campo Host. Se S=12, H=4, potrai utilizzare: 2 12 = 4096 reti 2 4-2= 6 indirizzi IP disponibili per rete Se S=8, H=8, potrai utilizzare: 2 8 = 256 reti 2 8-2 = 254 indirizzi IP Disponibili per rete 26
Chiariamo meglio il concetto con un esempio. Il nostro compito è quello di dimensionare in maniera opportuna le subnet riportate in figura. Le informazioni che abbiamo sono le seguenti: 1. La Subnet 1 deve poter ospitare 10 computer (devono essere quindi disponibili 10 indirizzi ip) 2. Le Subnet 4 e 5 devono utilizzare solo due indirizzi IP 3. La Subnet 2 deve poter ospitare 5 computer 4. La Subnet 3 deve poter ospitare 25 computer 27
In che modo si procede? 28
Supponiamo di scegliere la rete di classe C 193.x.x.x. come rete di partenza. Tuttavia, tutte le subnet richiedono un numero massimo di host per rete di gran lunga inferiore a 254 (indirizzi disponibili in una classe C) Operando tale scelta il campo Network dell indirizzo IP è costituito da 24 bit, ne rimangono 8 da suddividere tra i campi Subnet e Host. Lo scenario prevede la creazione di 5 Subnet: per distinguere 5 subnet sono necessari almeno 3 bit, infatti il numero possibile di combinazioni è pari a 2 3 = 8 subnet. La tabella che segue mostra tutte le possibili combinazioni (tre di esse sono inutilizzate) Nota inoltre come ogni bit, in quanto espresso in formato binario può assumere solo i valori 0 e 1 29
1 Bit 2 Bit 3 Bit Subnet Identificata 0 0 0 Subnet 1 0 0 1 Subnet 2 0 1 0 Subnet 3 0 1 1 Subnet 4 1 0 0 Subnet 5 1 0 1-1 1 0-1 1 1 - Quindi per distinguere le 5 subnet dell esempio sono necessari almeno 3 bit (puoi utilizzarne anche più di 3 quindi). Puoi adesso decidere se: 30
1. Utilizzare la stessa lunghezza per il campo Host: Tutte le subnet sarebbero composte da: N (bit Network): 24 bit S (bit SubNet): 3 bit H (bit Host): 5 bit Con 5 bit siamo in grado di assegnare 2 5-2= 30 indirizzi ip, quindi i requisiti sono rispettati; la subnet più grande è infatti la Subnet 3 composta da 25 PC (richiede quindi 25 indirizzi IP) 31
Questa suddivisione, per quanto semplice è poco efficiente, in quanto per ciascuna vlan sono assegnabili sempre 30 indirizzi ip, anche nei casi in cui ne sono richiesti molti meno come nel caso di Subnet4 e Subnet5. 2. Utilizzare per il campo Host un numero di bit tale da rispettare al massimo i requisiti. Un utilizzo più efficiente dell indirizzamento IP è realizzabile dimensionando le subnet in modo da fornire il minimo numero di indirizzi IP richiesti dalla subnet. La Subnet 4 ad esempio deve poter utilizzare solo due indirizzi IP. Il minimo numero di bit necessari sono quindi 2, 32
in quanto 2 2 2 = 4-2 = 2. Per la Subnet 4 potremmo quindi utilizzare la seguente suddivisione N (bit Network): 24 bit S (bit SubNet): 6 bit H (bit Host): 2 bit In questo modo posso realizzare 6 subnet in grado di indirizzare solo 2 nodi (fornisce solo 2 indirizzi IP assegnabili). Ovviamente per la Subnet 3 non può essere utilizzata la stessa suddivisione, in quanto la rete deve contenere un maggior numero di host. Sono sufficienti 4 bit per assegnare 25 IP? Verifichiamolo: 2 4-2 =16-2 = 14, quindi 4 bit non sono sufficienti. Utilizzando 5 bit per 33
il campo host è possibile associare fino a 2 5-2=32-2 =30 indirizzi ip. Pertanto il minimo numero di bit da utilizzare per la parte Host è 5. In questo caso la ripartizione sarà: N (bit Network): 24 bit S (bit SubNet): 3 bit H (bit Host): 5 bit La procedura appena vista va sotto il nome di VLSM e sarà studiata in maniera approfondita nel seguito. In tutti i casi deve risultare N+S+H = 32 bit La tabella che segue illustra ile combinazioni possibili, utilizzando X bit per il campo S o H 34
Numero Bit (X) Numero Subnet (2 x ) Numero Host (2 x -2) 1 2 0 2 4 2 3 8 6 4 16 14 5 32 30 6 64 62 7 128 126 8 256 254 9 512 510 10 1024 1022 11 2048 2046 12 4096 4094 35
Come detto prima la Subnet Mask rappresenta la dimensione di una rete, ovvero l insieme di indirizzi IP che è in grado di erogare. Così come un indirizzo IP, anche la Subnet Mask è composta da 32 bit e anch essa è generalmente espressa in notazione DDN. Ad ogni indirizzo IP è associata una subnet mask. Il valore della subnet mask è calcolato in questo modo: Ogni bit della subnet mask è in corrispondenza con il relativo bit dell indirizzo IP ed assume valore: 1 se il corrispondente bit dell indirizzo IP appartiene ai campi Network o Subnet 0 se il corrispondente bit dell indirizzo IP appartiene al campo Host. 36
Qual e la subnet mask se l indirizzo IP è così strutturato? N (bit Network): 24 bit S (bit SubNet): 3 bit H (bit Host): 5 bit I bit sono letti da sinistra verso destra. La subnet Mask è così composta: I primi 24 + 3 = 27 bit hanno valore 1 I bit 24 fino a 32 hanno valore 0 37
Quindi ciascun bit della subnet mask assume valore 0 o 1 a seconda se il corrispondente bit dell indirizzo IP appartiene ai campi Network (o Subnet) o Host. Diamo infine una definizione rigorosa per i due indirizzi speciali non associabili a nessun host della rete: 38
Subnet Number o Subnet ID: è il numero che identifica la subnet. E il valore più piccolo all interno di una rete. Come vedremo meglio nel seguito, corrisponde al valore che si ottiene impostando tutti i bit del campo Host a 0 Subnet broadcast: è il numero che identifica il gruppo composto da tutti gli host di una rete. E il valore più grande all interno di una rete. Come vedremo meglio nel seguito, corrisponde al valore che si ottiene impostando tutti i bit del campo Host a 1 39
Concetti di NAT e Reti Private RFC 1918 L indirizzamento IP finora utilizzato è quello associato al protocollo IPv4. Ciascun indirizzo IPv4 è composto da 32 bit, quindi l insieme delle possibili combinazioni sono 2 32 = 4294967296. E certamente un numero grande ma non infinito e certamente inadeguato ai giorni nostri considerando che più di 10 Miliardi di apparati sono connessi in Internet e che ognuno di essi ha bisogno di un indirizzo IP!! Gli indirizzi IPv4 stanno quindi terminando. Per evitare il collasso, nel corso degli ultimi anni sono state sviluppate diverse soluzioni alternative, tra cui: 40
Un nuovo protocollo detto IPv6; un indirizzo IPv6 è formato da 128 bit, quindi il numero delle possibili combinazioni è di gran lunga superiore rispetto a IPv4 Assegnare a ogni azienda/ente un range di indirizzi piuttosto che un intera classe Network Address Translation (NAT) in sostanza gli indirizzi IP reali sono mascherati. Reti private RFC1918 Lo standard RFC1918 definisce delle classi di indirizzamento dette Reti Private in quanto utilizzabili solo all interno di un azienda o di un ente. E quindi possibile che due aziende utilizzino per le 41
comunicazioni interne la stessa rete privata. L indirizzamento utilizzato su rete Internet è invece detto Pubblico. Gli indirizzi pubblici sono erogati da un ente internazionale detto RIPE. Un azienda per accedere su Internet deve necessariamente utilizzare un indirizzo pubblico rilasciato dal RIPE. Come può un host di una rete interna privata accedere quindi su Internet? Può farlo utilizzando il servizio Network Address Translation (NAT). In sostanza il NAT effettua una traduzione degli indirizzi privati in indirizzi pubblici. Da Rete Internet, quindi, i messaggi risultano generati dall IP pubblico aziendale e non dall host della rete privata. Le reti private definite dalla specifica RFC1918 sono: 42
Classe Rete IP Privata Numero Reti A 10.0.0.0 1 B 172.16.0.0-172.31.0.0 16 C 192.168.0.0 192.168.255.0 256 Il concetto è valido per qualsiasi connessione, anche per la tipica connessione ADSL. Facciamo un test! Dal tuo Pc Windows, accedi al Command Prompt di MS-DOS e dai il comando ipconfig, come in figura. L indirizzo IP associato alla mia scheda di rete wireless è 192.168.0.104; osservando la tabella puoi renderti subito conto che si tratta di un IP privato appartenente alla rete 192.168.0.0. Per visualizzare l IP pubblico con il quale esci su Internet, puoi accedere ad esempio al sito web http://www.hashemian.com/whoami/ 43
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Il mio indirizzo pubblico è 37.247.87.234. Ovviamente nel caso di connessione ADSL la richiesta di indirizzi pubblici al RIPE viene 45
fatta dal provider che ti fornisce il servizio di connettività ADSL (es Telecom Italia, Tiscali, Fastweb ). 46