Il protocollo IP. Corso di Reti di Telecomunicazione a.a. 2013/14

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1 Il protocollo IP Corso di Reti di Telecomunicazione a.a. 2013/14 - Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni - Ingegneria Informatica e dell Automazione - - Ing. G. Boggia

2 Internet Protocol (IP) È responsabile dell instradamento delle informazioni immesse nella rete Offre un servizio connection less (datagram) inaffidabile Ogni nodo della rete è individuato da almeno un indirizzo IP Ogni interfaccia (collegamento fisico) ha un indirizzo IP Ogni PDU di livello 3 contiene gli indirizzi IP degli host mittente e destinatario Ogni Router (dispositivo di forwarding di livello 3) inoltra le PDU ricevute sulla base di un algoritmo di routing I router si basano sul paradigma store&forward I router hanno l unico ruolo di instradare i datagram IP senza garantire che i datagrammi giungano effettivamente a destinazione (servizio best effort) I router isolano i domini di broadcast 2

3 Reti IP: Esempio Interconnessione di reti (es. LAN, WAN) mediante router Ogni router interconnette almeno due reti diverse Ogni rete è caratterizzata da un suo indirizzo di rete Anche una connessione punto-punto tra le interfacce di due router è una rete Reti Host 3

4 Datagramma IP: formato generale 32 bit Header Version Header Length Identification Type Of Service Flag Total Length Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Payload Data Viene comunemente rappresentato IN righe multiple di 32 bit L intestazione ha dimensione variabile (minimo 20 byte) in funzione della presenza o meno delle opzioni (campo Options nell intestazione) 4

5 Datagramma IP: Version 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Version (4 bit): Definisce la versione del protocollo (IPv4 o IPv6) Es. IPv4 Version = 4 (0100) 5

6 Datagramma IP: Header Length 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Header Length (4 bit): Lunghezza dell intestazione del pacchetto IP, espressa in multipli di 4 byte Es. Se non ci sono le opzioni (come accade in genere) si ha Header Length = 5 (0101) 6

7 Datagramma IP: Type Of Service 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Type Of Service (8 bit): Distingue i diversi tipi di pacchetti e, quindi, i requisiti di QoS (Quality of Service) richiesti dal flusso dati cui appartiene il datagramma 7

8 Quality of Service e Campo ToS Il campo TOS viene utilizzato per definire il livello di Quality of Service con cui trattare il pacchetto di un determinato flusso Utilizzo classico del TOS (poco usato) Precedence D T R C 0 Precedenza del pacchetto (3 bit) bit D - Utilizzare il path con delay minimo bit T - Utilizzare il path con throughput massimo bit R - Utilizzare il path con massima affidabilità bit C Utilizzare il path con costo economico minimo Utilizzo moderno del TOS Differentiated Service Code Point (6 bit) DSCP Definizione secondo lo standard Differentiated Services (come inoltrare il datagram: forwarding behavior) In base al DSCP si utilizzano politiche differenti di gestione del pacchetto ECN Explicit Congestion Notification Avverte il livello TCP di una congestione incipiente 8

9 Datagramma IP: Total Length 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Total Length (16 bit): Lunghezza totale del datagramma espressa in byte (dim. max byte) 9

10 Datagramma IP: Total Length 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Identification (16 bit): Identifica in modo univoco un datagramma generato dal mittente Utilizzato per la gestione della frammentazione dei pacchetti IP 10

11 Datagramma IP: Flag 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Flag (3 bit): not used DF MF Informazioni utili alla frammentazione DF = Don t Fragment; MF = More Fragment - MF indica se il datagramma è l ultimo dei frammenti - DF indica se il datagramma puo o meno essere frammentato 11

12 Datagramma IP: Fragment Offset 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Fragment Offset (13 bit): Identifica lo spiazzamento dei dati nel caso essi siano un frammento di un datagramma frammentato Lo spiazzamento è espresso in multipli di 8 byte L offset fa riferimento alla posizione dei dati nel pacchetto originario 12

13 Frammentazione dei pacchetti IP Il pacchetto è frammentato da ogni router che ne verifica la lunghezza superiore alla MTU della linea di uscita Il nodo ricevente ricostruisce il pacchetto utilizzando i singoli frammenti Maximum Transmission Unit (MTU): massima dimensione del payload a livello data-link (es. Ethernet: MTU = 1500 Byte) La MTU limita la dimensione del datagram IP 1500 Byte 1500 Byte 4000 Byte Id=776 Offset=0 MF=0 MTU=1500 Id=776 Offset=0 MF=1 Id=776 Offset=0xB9* MF= Byte Id=776 Offset=0x172** MF=0 *0xB9 = =1480 Byte **0x172= =2960 Byte 13

14 Datagramma IP: TTL 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Time To Live (8 bit): È impostato dal mittente (es. 128). Impedisce che un pacchetto permanga indefinitamente in rete Ogni router decrementa tale valore. Lo standard considera tale valore in secondi e indica di ridurlo del tempo speso dal pacchetto nel router, riducendolo almeno di 1 se tale tempo è inferiore a 1 secondo. In pratica, ogni router lo riduce di 1. Quando raggiunge il valore 0 il datagram è scartato 14

15 Datagramma IP: Protocol 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Protocol (8 bit): Indica il protocollo utilizzato dalla PDU incapsulata dal datagram (campo Data) Es: TCP = 6 UDP = 17 15

16 Datagramma IP: Header Checksum 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Header Checksum (16 bit): Si ottiene seguendo la procedura - somma 16 bit a 16 bit tutti gli altri byte dell header - somma dell eventuale resto - complemento a 1 del risultato Se c è un errore in fase di verifica del checksum, normalmente il pacchetto viene scartato 16

17 Datagramma IP: Source Address 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Source Address (32 bit): Indirizzo IP host mittente 17

18 Datagramma IP: Destination Address 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Destination Address (32 bit): Indirizzo IP host destinatario 18

19 Datagramma IP: Options 32 bit Version Header Length Type Of Service Total Length Identification Flag Fragment Offset TTL Protocol Header checksum Source address Destination address Options Data Options Opzioni per il routing del pacchetto Estensioni delle intestazioni di IP Poiché richiedono un carico di elaborazione molto variabile nei vari router, sono poco usate 19

20 Indirizzamento IP Identifica una rete Identifica un host della rete Net-id 32 bit Host-id È composto da 32 bit Si esprime in forma decimale puntata, es È suddiviso in una porzione dedicata all identificativo della rete (Net-id) ed una all identificativo degli host (host-id) Nell indirizzamento classico (classful addressing) si introducono 5 classi di indirizzi IP: A, B, C, D, E Attualmente si utilizza l indirizzamento senza classi CIDR (Classless InterDomain Routing) L assegnazione degli indirizzi è compito dell Internet Assigned Number Authority (IANA) gestita dall ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers) Ogni interfaccia (host) della rete IP ha un suo indirizzo 20

21 Indirizzamento Classless È ormai comunemente usato al posto dell indirizzamento classful CIDR (Classless InterDomain Routing) considera la parte di indirizzo IP relativa alla rete di lunghezza qualsiasi Il formato dell indirizzo è del tipo a.b.c.d/x dove x, maschera di rete, indica il numero di bit più significativi che individua la rete Si riducono le dimensioni delle tabelle di routing Indirizzo IP Net-id Es /16 Maschera di rete (Subnet Mask) Host-id La maschera stabilisce il numero di bit dell indirizzo che rappresentano la rete I restanti bit rappresentano l host La maschera può anche essere rappresentata in forma decimale puntata - Es. /

22 Indirizzi di rete IP Un indirizzo di rete ha tutti 0 nella porzione di host Es /24 (i primi 24 bit sono quelli della rete, gli ultimi 8 quelli di host; poiché questi ultimi sono nulli, si tratta di un indirizzo di rete) Es /24 (stavolta i bit di host sono , per cui non sono tutti nulli, l indirizzo considerato è quello di un host della rete /24) Assegnato un indirizzo di rete, è possibile partizionare tale rete in sottoreti modificando la maschera Una parte dei bit adibiti all identificazione dell host sono dedicati alla definizione di una sottorete (subnet-id) La suddivisione in sottoreti è invisibile all esterno della rete Identifica una sottorete Identifica un host della rete Identifica una rete Net-id Subnet-id 32 bit Host-id 22

23 Subnetting: esempio1 Rete: (Classe B) 4 sottoreti à 2 bit per subnet-id Subnet mask: à /18 Subnet-id=00 Subnet-id=01 Subnet-id= Subnet-id=11 23

24 Subnetting: esempio2 Rete: (Classe B) 8 sottoreti à 3 bit per subnet-id Subnet mask: à /19 Subnet-id 000 Subnet-id 001 Subnet-id Subnet-id

25 Classi di Indirizzi IP (classful addressing) 32 bit Classe A: Net-id Host-id Classe B: Classe C: Net-id Net-id Host-id Host-id Classe D: Indirizzo Multicast Classe E: riservato 25

26 Indirizzi IP: classificazione Pubblici: l indirizzo può essere utilizzato esclusivamente da una specifica organizzazione e sono usati per instradare pacchetti in Internet. Privati: possono essere usati solo in una rete privata, ma non si possono instradare pacchetti con tali indirizzi in Internet (utili per motivi di sicurezza e/o per risolvere il problema dello spazio di indirizzamento) / / /16 Statici: l indirizzo IP dell host non varia nel tempo Dinamici: l indirizzo IP dell host varia nel tempo (es. connessione non permanente ad Internet tramite ISP, Internet Service Provider) 26

27 Variable Length Subnet Mask (VLSM) Rete: /24 Divisione classica 5 Subnet 3 bit NetA: 14 host NetB: 28 host NetC: 2 host NetD: 7 host NetE: 28 host VLSM 5 Subnet n bit variabile Si parte dalla rete con maggiori esigenze (B e E) 5 bit x host: B e E 4 bit x host: A e D 2 bit x host: C 2 5-2=30 host per subnet Net A: /27 (14 host su 30) Net B: /27 (28 host su 30) Net B: /27 (28 host su 30) Net C: /27 (2 host su 30) Net D: /27 (7 host su 30) Net E: /27 (28 host su 30) Net A: /28 (14 host su 14) Net D: /28 (7 host su 14) Net C: /30 (2 host su 2) Net E: /27 (28 host su 30) /27 (unused) /27 (unused) /27 (unused) unused Minore spreco di indirizzi Maggiore disponibilità per espansioni della rete Maggiore difficoltà nel realizzare il piano di indirizzamento 27

28 Indirizzi IP speciali net ID subnet ID host ID Source? Dest.? Description 0 0 OK Mai Questo host su questa rete 0 hostid OK Mai Host specifico su questa rete 127 Qualunque OK OK Indirizzo di loopback Mai OK Broadcast Limitato localmente (mai inoltrato) Netid 255 Mai OK Broadcast diretto alla rete Netid subnetid 255 Mai OK Broadcast diretto alla sottorete 28

29 Address Resolution Protocol (ARP) Protocollo di risoluzione degli indirizzi MAC È utilizzato per conoscere il MAC address corrispondente ad un determinato indirizzo IP Siano A l host mittente e B l host di cui non si conosce il MAC address L host A invia una richiesta in Broadcast indicando l indirizzo IP di B B risponderà ad A con una reply Unicast Ogni PC ha una cache in cui memorizza le risoluzioni più recenti Ethernet Ethernet Type Dest. Add. Sour. Add. Hw type Prot. Hw Prot type size size op. Sender Eth. Addr. Sender IP Addr. Target Eth. Addr. Target IP Addr. Ethernet Padding FCS Eth. vii header 28 byte ARP request/reply 29

30 ARP esempio Hw - aa:bb:cc:00:11:22 IP Eth. DA - FF:FF:FF:FF:FF:FF Eth. SA - aa:bb:cc:00:11:22 Arp type 0x0806 op 1 (ARP request) Sender Hw Add - aa:bb:cc:00:11:22 Sender IP Add Target Eth. Add.- 0:0:0:0:0:0 Target IP Add Arp request Eth. DA aa:bb:cc:00:11:22 Eth. SA 00:ee:cc:00:11:33 Arp type 0x0806 op 2 (ARP reply) Sender Hw Add 00:ee:cc:00:11:33 Sender IP Add Target Eth. Add.- aa:bb:cc:00:11:22 Target IP Add Arp Reply Hw - 00:ee:cc:00:11:33 IP

31 Trasferimento di pacchetti tra reti diverse (1) R1 R4 A R2 R3 B A R1 R2 R4 B IP Dest. B IP Source A MAC Source A MAC Dest. R1 IP Dest. B IP Source A L2 Source R1 L2 Dest. R2 IP Dest. B IP Source A MAC Source R4 MAC Dest. B A conosce l indirizzo IP di B (destinatario) Considerando la propria maschera, verifica se la rete di B coincide con la sua rete Se ciò non accade, A capisce che B è in una rete esterna A si rivolge al proprio default gateway (router che interconnette la sua LAN con l esterno, nell esempio R1) A deve conoscere l indirizzo IP del default gateway (tramite DHCP oppure configurato a mano da un operatore) Se A non conosce il MAC address di R1, invia una richiesta ARP con target address l indirizzo IP di R1 A invia il pacchetto IP con destinatario B al router R1 (a livello MAC il destinatario è R1) 31

32 Trasferimento di pacchetti tra reti diverse (2) R1 R4 A R2 R3 B A R1 R2 R4 B IP Dest. B IP Source A MAC Source A MAC Dest. R1 IP Dest. B IP Source A L2 Source R1 L2 Dest. R2 IP Dest. B IP Source A MAC Source R4 MAC Dest. B R1 legge il pacchetto a livello IP e consulta la propria tabella di routing per stabilire a chi inoltrare il pacchetto R1 inoltra il pacchetto a R2. In qualche modo conosce o apprende l indirizzo di livello 2 di R2 e invia un frame con, a livello 2, il proprio indirizzo mittente e l indirizzo di livello 2 di R2. A livello IP l indirizzo mittente è sempre quello di A e il destinatario quello di B. Attraverso i vari router, il pacchetto giunge al router R4 collegato alla rete di B Se R4 non conosce il MAC address di B, invia una richiesta ARP con target address l indirizzo IP di B e invia il pacchetto utilizzando, a livello MAC, il proprio MAC address come source address e quello di B come destination address B leggendo i livelli 2 e 3 riconosce i propri indirizzi MAC e IP e passa il payload ai livelli superiori. 32

33 Trasferimento di pacchetti nella stessa rete A conosce l indirizzo IP di B (destinatario) Considerando la propria maschera, verifica se la rete di B coincide con la sua rete Se ciò accade, A capisce che B è nella sua rete Se A non conosce il MAC address di B, invia una richiesta ARP con target address l indirizzo IP di B A invia il pacchetto IP a B (a livello MAC il destinatario è sempre B) A B A IP Dest. B IP Source A MAC Source A MAC Dest. B B 33

34 Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) Consente ad un host di ottenere da un DHCP server: indirizzo IP indirizzo IP del router di default indirizzo IP del server DNS La richiesta è inviata dall host in broadcast sulla rete locale Source IP address = (indica che l host non ha un indirizzo) Dest IP Address = Se non è disponibile alcun DHCP server nella rete locale, la richiesta può essere inoltrata verso un altra rete (se il router di frontiera è opportunamente istruito) Se sono presenti più DHCP server nella medesima rete locale, dopo una fase di contesa, l indirizzo IP è fornito dal server che per primo ha ricevuto la richiesta 34

35 Zero Configuration Networking Configurazione della rete in assenza di server e amministratori Sviluppato da IETF Ideale solo per piccole reti (dove non ci sono DHCP e DNS) Link-Local Address /16 (riservato dalla IANA) estrazione casuale (distr. uniforme) di un indirizzo nel range [ ] I primi e gli ultimi 256 indirizzi sono riservati per usi futuri Il generatore di numeri casuali inizializza il suo seed (seme) partendo dall indirizzo MAC della scheda di rete Probing dell indirizzo mediante ARP Probe, cioè un ARP Request con Sender IP Add.= all 0 ; Target HW Add. = all 0 ; Target IP Add. = IP da provare Se un altro host ha lo stesso indirizzo, si sceglie casualmente un nuovo indirizzo Se nessun host ha l indirizzo scelto, si annuncia tale indirizzo con un ARP Announcement con Sender IP Add.= Target IP Add. = IP scelto. Gli indirizzo Link-local sono di tipo privato e non possono essere usati per il forwarding di dati fuori dalla rete locale 35

36 Network Address Translation (NAT) Internet LAN Tutti gli host della rete locale possono usare l indirizzo IP del router di frontiera per connettersi ad Internet Il NAT è un software eseguito presso il router di frontiera Ogni host della LAN ha un indirizzo IP non visibile all esterno della LAN Tutti i datagram IP che viaggiano da (verso) la LAN hanno il medesimo indirizzo IP mittente (destinazione) Il NAT utilizza una Tabella di traduzione per selezionare a quale host della LAN è diretto un datagram che proviene dall esterno La tabella di traduzione è costruita osservando le coppie indirizzo IP mittente-porta mittente dei datagrammi in uscita Se all interno della LAN c è un server che deve essere raggiunto dall esterno, si crea un associazione statica tra indirizzo privato del server e un indirizzo pubblico del router di frontiera (NAT statico) 36

37 Esempio di funzionamento del NAT Client Rete Privata Server Internet NAT Request Source Destination Translated Request Source Destination Translated Response Source Destination Response Source Destination

38 Internet Control Message Protocol (ICMP) È utilizzato per segnalare informazioni di controllo relative al livello di rete (quali l occorrenza di una situazione di errore) I messaggi ICMP sono trasportati direttamente come payload di IP (Protocol type 1) Un messaggio ICMP ha un campo tipo e codice e contiene l header IP e i primi 8 byte del datagram IP che causa la generazione del messaggio stesso Possono essere comunicati altri dati (es. nome router e ind. IP nei TTL expired) Si dividono in messaggi di errore e messaggi di richiesta ICMP type Code Description 0 0 Echo replay risposta al messaggio di eco (ping) 3 0 Destination network unreachable 3 1 Destination host unreachable 3 2 Destination protocol unreachable 3 3 Destination port unreachable 3 6 Cestination network unknown 3 7 Destination host unknown 4 0 Source quench riduzione data rate 8 0 Echo request 9 0 Router advertisement 10 0 Router discovery 11 0 TTL expired 12 0 IP header bad 38

39 Esempio uso ICMP Ping (uso messaggi echo request e echo replay) Ping (Echo Request) ICMP type 8 Code 0 Ping (Echo Replay) ICMP type 0 Code 0 Traceroute (invio di normali datagram IP con TTL crescente e ricezione di messaggi TTL expired) IP datagram ICMP TTL expired (TTL iniziale 2) ICMP TTL expired (TTL iniziale 4) TTL=1 TTL=2 TTL=3 TTL=4 ICMP TTL expired (TTL iniziale 1) ICMP TTL expired (TTL iniziale 3) 39