IPv4 Internet Protocol Versione 4 - Studio Reti

IPv4 - 1 Copyright: si veda nota a pag. 2

IPv4Internet Protocol Versione 4

Silvano GAIsgai[at]cisco.com

Mario BALDIhttp://staff.polito.it/mario.baldi

Fulvio RISSOfulvio.risso[at]polito.it


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Cenni storiciNella prima metà degli anni `70 la DARPA (Defence Advanced Research Project Agency) dimostra interesse per la realizzazione di una rete:

a commutazione di pacchettotra elaboratori eterogeneiper le istituzioni di ricerca degli USA

DARPA finanzia l’Università di Stanford e la BBN (Bolt, Beranek e Newman)


Cenni storiciVerso la fine degli anni `70 si completa la realizzazione dell’Internet Protocol Suite, di cui i due principali protocolli sono:

IP: Internet ProtocolTCP: Transmission Control Protocol

Da cui il nome TCP/IP usato per questa architettura di reteNasce la rete Arpanet, prima rete della ricerca mondiale che evolve e diventa Internet


InternetUsa i protocolli TCP/IPLa più grande rete di calcolatori al mondoÈ in realtà una “rete di reti” che collega:

centinaia di migliaia di dominicentinaia di migliaia di retimilioni di calcolatori

Ha un tasso di crescita elevatissimoun nuovo dominio collegato ogni 2 minutiuna nuova rete collegata ogni 10 minutiil numero di calcolatori connessi cresce del 6% al mese


L’architettura TCP/IPComprende anche molti altri protocolli, quali

UDP (User Datagram Protocol)NFS (Network File System)

È di dominio pubblicoRealizzata da tutti i costruttori di calcolatoriMolto spesso è l’unica architettura di rete fornitaStandardizzata con dei documenti detti RFC (Request For Comment)


L’Architettura di rete TCP/IP

TCPTCP UDPUDP

RPCRPC

XDRXDR

NFSNFS

RTPSNMPRTP

SNMP

TelnetFTP

SMTPHTTP

TelnetFTP

SMTPHTTP

IPIPData link

Rete

Trasporto

Sessione

Presentazione

Applicazione

ICMPICMPARPARP

Protocollidi routing


IGMPIGMP


Imbustamento

UDP

IP

MAC

Dati

Dati

UDP Dati

IP UDP Dati

UDP

IP

MAC

Dati

Dati

UDP Dati

IP UDP Dati

Network


I livelli 1 e 2

TCPTCP UDPUDP

RPCRPC

XDRXDR

NFSNFS

RTPSNMPRTP

SNMP

TelnetFTP

SMTPHTTP

TelnetFTP

SMTPHTTP

IPIPData link

Rete

Trasporto

Sessione

Presentazione

Applicazione

ICMPICMPARPARP



IGMPIGMP

Non specificati (qualsiasi)


Sotto l’IP - I livelli 1 e 2L’architettura TCP/IP è concepita come un mezzo per fare internetworking tra reti (locali o geografiche)È in grado di operare su tutte le reti:

Ethernet, token-ring, FDDIATM, SMDS, Frame RelayX.25SLIP, PPP, Dialup

Esistono realizzazioni di TCP/IP anche per reti non standard


Gerarchia

H2 H3

Rete 1

Rete 3Rete 6

H1

Rete7

Rete9

FDDI

R3

R5

R2

X.25 CDN

802.3

H4

EthernetR1

R4


L’IP: Internet Protocol

TCPTCP UDPUDP

RPCRPC

XDRXDR

NFSNFS

RTPSNMPRTP

SNMP

TelnetFTP

SMTPHTTP

TelnetFTP

SMTPHTTP

IPIPData link

Rete

Trasporto

Sessione

Presentazione

Applicazione

ICMPICMPARPARP



IGMPIGMP


IP: Internet ProtocolÈ il livello Network di TCP/IPOffre un servizio non connessoSemplice protocollo di tipo DatagramUn protocollo datato ...... ma non obsoleto

Oggi: IP-v.4Domani: (forse) IP-v.6


Datagram vs Connection OrientedI pacchetti viaggiano su percorsi indipendentiOut of order deliveryBandwidth Management difficoltoso

riservare e garantire bandarifiutare connessioni (Call Acceptance Control)

Meno complesso: non richiede negoziazione nèlato utente, nè all’interno della reteRobusto: si adatta a variazioni di traffico, topologia, guastiAdatto al traffico dati (bursty)


IP: funzionalitàFrammentazione e riassemblaggio dei pacchettiGestione indirizzi a 32 bit a livello di rete e di hostRoutingConfigurazione di classi di servizio


Formato dell’intestazione IPv4

Options PAD

Destination Address

Source Address

TTL Protocol Checksum (su intestazione)

Identifier Flag Fragment Offset

VER HLEN ToS Total Length

32 bit


Campi dell’header IPVER: VersioneLIN: Header Length (lunghezza dell’intestazione)

in blocchi di 4 byte (max 64 byte)ToS: Type of Service

tipo di servizio, attualmente non usatoLunghezza totale

lunghezza globale del pacchetto corrente (non quello prima della frammentazione), max 216 byte

IdentificatoreID univoco del pacchetto (costante nel caso di frammentazione), necessario per la deframmentazione


Campi dell’header IP (2)Flag

0: posto a zeroDF: Don’t FragmentMF: More Fragment (0 sull’ultimo frammento)

Fragment OffsetIn multipli di 8 byte

Time To Live (TTL)contatore decrementato ad ogni hop

ProtocolTCP, UDP, ICMP, ...

Checksumprotegge solo l’intestazione


Campi dell’header IP (3)Indirizzo IP mittente e destinatarioOpzioni

Formato TLVEs. Source Routing, Route Recording, Timestamp

PAD: padding (imbottitura)necessario per allineare le opzioni a 32 bit (per LIN)


Indirizzi IPSono 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 255Esempi

131.190.0.21.1.2.17200.70.27.33

Sono assegnati alle interfacce

Network prefixNetwork prefix Host partHost part

32 bit


Indirizzamento

Host

0 1 7 8 31

Classe A0 1 15 16 31

Classe B

2

0 1 23 24 31

Classe C

2 3

0 Network

Host1 Network0

Host1 Network01


Classe A

Host

0 1 7 8 31

0 Network

Campo rete7 bitmax 128 retivalori compresi tra 0 e 127

Campo host24 bitmax 16M host


Classe B

0 1 15 16 312

Host1 Network0

Campo rete14 bitmax 16K retivalori compresi tra 128 e 191

Campo host16 bitmax 64K host


Classe C

0 1 23 24 312 3

Host1 Network01

Campo rete21 bitmax 2M retivalori compresi tra 192 e 223

Campo host8 bitmax 256 host


Classi D ed E

0 1 31

Classe D

2 3

Multicast Address1 01 1

0 1 31

Classe E

2 3

Reserved for Future Use1 11 1


Indirizzi particolari

All 0s This host1

All 0s Host on this net1

All 1s Limited broadcast (local net) 2

Directed broadcast for net 2

Loopback3

Host

Net All 1s

127 Anything (often 1)

1 Permesso solo al bootstrap ed è usabile solo come indirizzo sorgente2 Può essere usato solo come indirizzo destinazione3 Non deve essere propagato dai router sulla rete


Network particolariAlcune indirizzi sono riservati per essere usati su reti private

Non sono annunciate su Internet, quindi non sono raggiungibili direttamente

16 indirizzi di classe B

1 network di classe A

172.16.0.0 - 172.31.255.255

10.0.0.0 - 10.255.255.255

256 indirizzi di classe C192.168.0.0 - 192.168.255.255


Reti logiche e fisiche

Bridge

200.2.1.0

205.1.4.0

205.1.4.0

205.1.4.3 205.1.4.4

205.1.4.1 205.1.4.2

200.2.1.254

205.1.4.253Router

200.2.1.1 200.2.1.2


Reti logiche e reti fisicheLogical IP Subnet: LIS

Insieme di host con lo stesso prefisso IPRete fisica

Insieme di host che possono inviarsi pacchetti IP direttamente

Senza intervento di un router

IP assume una corrispondenza biunivocatra reti fisiche e logiche

Realizzazioni più moderne ammettonopiù reti logiche sulla stessa rete fisicapiù reti fisiche nella stessa rete logica (Proxy ARP)


Routing IP (instradamento)

All’interno della LIS la consegna è affidata allarete fisica

avviene a livello data link

LIS #2

LIS #1


Routing IP (instradamento)

La consegna tra LIS differenti è affidata ai router Avviene a livello rete

L’host conosce almeno un default gatewayFornito in fase di configurazione

LIS #2

LIS #1


Esempi di instradamento

H1

R

H2 H4

H3

IP Subnet #1 IP Subnet #2

To IP Network #2

IP Network #1


Architettura di instradamento

Network

Data Link

Physical

Transport

Network

Data Link

Physical

Data Link

Physical

Network

Data Link

Physical

Transport

Tratta αRete fisica A

LIS 1

Tratta βRete fisica B

LIS 2

Tratta γRete fisica B

LIS 2

Host Router Bridge Host


Consegna diretta

H R

RR HH

08000800 Pacchetto IPPacchetto IP FCSFCS

IPIP

EthernetEthernet

FisicoFisico

Pacchetto IPPacchetto IPR


Inoltro attraverso LIS distinte

H1 R1

R2

H2

192.168.1.5 192.168.1.1

192.168.15.1

192.168.15.2 172.18.1.2172.18.1.6

R1R1 H1H1

08000800 Intestazione IPIntestazione IP Dati IPDati IP

192.168.1.5

172.18.1.6FCSFCS

H2H2 R2R2

08000800 Intestazione IPIntestazione IP Dati IPDati IP

192.168.1.5

172.18.1.6FCSFCS

Int.PPPInt.PPP Intestazione IPIntestazione IP Dati IPDati IP

192.168.1.5

172.18.1.6FCSFCS


Più LIS nella stessa rete fisica

H1R

192.168.1.5192.168.1.1

H2

192.168.2.3192.168.2.1

LAN/WAN


Indirizzi multipli alla stessa interfacciaGIi host che appartengono ad una sottoretelogica possono inviare i pacchetti destinati ad altre sottoreti:

al routerse nelle loro routing table non c’è la destinazione

direttamente a destinazionese nelle loro routing table c’è la destinazione

Il messaggio ICMP xRedirect (extended redirect) permette di ottimizzare il routing aggiornando

Routing table ARP table


Perchè avere più LIS nella stessa rete fisica?

In preparazione ad espansione e crescita futura

H1R

192.168.1.5192.168.1.1

H2

192.168.2.3192.168.2.1

LAN/WAN


Subnetting

Indirizzo di classe B prima del subnetting

1 0

Network Host

Indirizzo di classe B dopo il subnetting

1 0

Network HostSubnet


Indirizzamento gerarchico

10.*

192.168.12.*

130.192.*

150.110.*150.110.12.*

150.110.21.*

150.110.55.* 150.110.3.*


NetmaskRisolve la rigidità della suddivisione in classiParametro che specifica il subnetting

bit a 1 in corrispondenza dei campi network esubnetworkbit a 0 in corrispondenza del campo host

Una coppia (indirizzo, subnet mask) individua una sottorete (address range)

0 1 2324 312 3 25

1 1 0 0 0 0 0 0.1 01 0 1 0 0 0.0 0 0 0 1 0 1 0.0 1 0 0 0 1 0 1

Prefisso di Rete

26

Host

1 1 1 1 1 1 1 1.1 11 1 1 1 1 1.1 1 1 1 1 1 1 1.1 1 0 0 0 0 0 0255 . 255 . 255 . 192

Netmask

192 . 168 . 10 . 69Indirizzo


Netmask: valoriI valori decimali leciti nei 4 byte che costituiscono la netmask sono quindi:

128 1000 0000 (128)192 1100 0000 (64)224 1110 0000 (32)240 1111 0000 (16)248 1111 1000 (8)252 1111 1100 (4)254 1111 1110 (2)255 1111 1111 (1)


Netmask: esempioPartizionare una rete di classe B in 1024 subnet da 64 host

Netmask 11111111 11111111 11111111 11000000Netmask esadecimale ff ff ff c0Netmask decimale 255.255.255.192

0 1 2324 312 3

Host1 Prefisso naturale0 Ident. sottorete25

1 0 1 1 0 0 0 0.0 0 0 1 0 0 0 1.0 0 0 0 1 0 1 0.0 1 0 0 0 1 0 1

Prefisso di Rete

26

Host

1 1 1 1 1 1 1 1.1 1 1 1 1 1 1 1.1 1 1 1 1 1 1 1.1 1 0 0 0 0 0 0255 . 255 . 255 . 192 Netmask

176 . 17 . 10 . 69Indirizzo


0 1 2324 312 3

Host1 Prefisso naturale0125

da 0

a 63

11000000.10101000.00001010.0000000000111111

da 64

a 127

01000000

01111111

Prefisso di Rete

26

Host

11111111.11111111.11111111.11000000255 . 255 . 255 . 192Netmask

192 . 168 . 10 .

da 128

a 191

10000000

10111111

da 192

a 255

11000001

11111111


Subnetting

Bridge

131.2.2.0

131.2.1.0

131.2.1.0

131.2.1.3 131.2.1.4

131.2.1.1 131.2.1.2

131.2.2.254

131.2.1.253Router

131.2.2.1 131.2.2.2

Netmask: 255.255.255.0


Subnetting

131.2.1.8

131.2.1.0131.2.1.3 131.2.1.4

131.2.1.9

131.2.1.2Router

131.2.1.10 131.2.1.14

Netmask: 255.255.255.248


Routing: AND bit a bit

Indirizzo mittente 192.168.10.69

AND bit a bit 192.168.10.64

11000 000 10101000 00001010 01000101

11111111 11111111 11111111 11000000

11000 000 10101000 00001010 01000000

Netmask mittente 255.255.255.192


Routing: AND bit a bit

Netmask mittente 255.255.255.192

Indirizzo destinazione 192.168.10.101

AND bit a bit 192.168.10.64

11000000 10101000 00001010 01100101

11111111 11111111 11111111 11000000

11000 000 10101000 00001010 01000000

Netmask255.255.255.192

11000000 10101000 00001010 10000100

11111111 11111111 11111111 11000000

11000 000 10101000 00001010 10000000

Indirizzo destinazione 192.168.10.132

AND bit a bit 192.168.10.128


Routing: appartenenza stessa LIS

11000000101010000000101001000101

11111111111111111111111111000000

11000000101010000000101001000000

11000000101010000000101001100101

11000000101010000000101001000000

Indirizzo mittente 192.168.10.69 Indirizzo destinazione 192.168.10.101

Netmask mittente255.255.255.192

Stessa LIS: comunicazione diretta

192.168.10.64 192.168.10.64


Routing: appartenenza diversa LIS

11000000101010000000101001000101

11111111111111111111111111000000

11000000101010000000101001000000

Indirizzo mittente 192.168.10.69 Indirizzo destinazione 192.168.10.132

Netmask mittente255.255.255.192

LIS differenti: utilizzo del router

192.168.10.64 192.168.10.128

11000000101010000000101010000100

11000000101010000000101010000000


Appartenenza ad address rangeRete logica (address range)

11011100 00101101 10110010 11000011 (indirizzo)11111111 11111111 11110000 00000000 (netmask)

11011100 00101101 10110000 00000000

Indirizzo per cui verificare l’appartenenza11011100 00101101 10110110 10111001

Verifica: AND bit a bit tra indirizzo da verificare e netmask11011100 00101101 10110110 1011100111111111 11111111 11110000 00000000

11011100 00101101 10110000 00000000

Confronto con l’indirizzo che identifica l’address rangecoincidono: appartenenzanon coincidono: non appartenenza

Tutti gli indirizzi che appartengono all’addess range hanno un prefisso comune


Variable SubnettingLIS e Netmask

Notazione binariaTipo di impiego

Rete localecon al più510 host

Lineepunto-punto

ReteISDN

Reti localicon al più254 host

1010 1100.0001 0000.0001 0000.0000 0000 172.16.16.01111 1111.1111 1111.1111 1110.0000 0000 255.255.254.0

1010 1100.0001 0000.0100 0000.0000 0000 172.16.64.01010 1100.0001 0000.0100 0001.0000 0000 172.16.65.01010 1100.0001 0000.0100 0010.0000 0000 172.16.66.01111 1111.1111 1111.1111 1111.0000 0000 255.255.255.0

1010 1100.0001 0000.0100 0011.0010 0000 172.16.67.321111 1111.1111 1111.1111 1111.1111 0000 255.255.255.240

1010 1100.0001 0000.0000 0010.0000 0000 172.16.2.0 1010 1100.0001 0000.0000 0010.0000 0100 172.16.2.41010 1100.0001 0000.0000 0010.0000 1000 172.16.2.81010 1100.0001 0000.0000 0010.0000 1100 172.16.2.121010 1100.0001 0000.0000 0010.0001 0000 172.16.2.161111 1111.1111 1111.1111 1111.1111 1100 255.255.255.252

Notazionedecimale puntata


150.1.0.0255.255.0.0

Gerarchia

H4 R4R1

H3

Subnet 1

Subnet 3 Subnet 6

H1

Net: 190.3Mask: 255.255.255.0

Subnet7

Subnet9

FDDI

190.3.7.1

190.3.7.2

190.3.1.1

190.3.1.5190.3.9.2

190.3.9.3

190.3.6.2190.3.6.3190.3.6.8

190.3.3.1

190.3.3.3

190.3.3.2

190.3.1.4

R3

R5

R2

150.1.8.4


Tabelle di instradamentoL’instradamento tra subnet diverse viene gestito da tabelle di instradamento presenti sui routerEsempio:

tabelle di instradamento del router R53 subnet non raggiungibili direttamente

Subnet di Destinazione Indirizzo del router190.3.1.0 255.255.255.0 190.3.3.2190.3.7.0 255.255.255.0 190.3.3.2190.3.9.0 255.255.255.0 190.3.6.8150.1.0.0 255.255.0.0 190.3.6.8

Next Hop


150.1.0.0255.255.0.0

Instradamento

H4 R4R1

H3

Subnet 1

Subnet 3Subnet 6

H1

Net: 190.3Variably Subnetted

Subnet9.0

Subnet9.4

FDDI

190.3.9.1

190.3.9.2

190.3.1.1

190.3.1.5190.3.9.5

190.3.9.6

190.3.6.2190.3.6.3

190.3.6.8

190.3.3.1

190.3.3.3

190.3.3.2

190.3.1.4

R3

R5

R2

150.1.8.4

255.255.255.0255.255.255.0

255.255.255.025

5.25

5.25

5.25

2

255.255.255.252

Subnet4

190.3.4.6

255.255.255.0


Tabelle di instradamento di R5

Subnet di Destinazione Indirizzo del router190.3.1.0 255.255.255.0 190.3.3.2190.3.9.0 255.255.255.252 190.3.3.2190.3.9.4 255.255.255.252 190.3.6.8190.3.0.0 255.255.0.0 190.3.6.81

150.1.0.0 255.255.0.0 190.3.6.8

1Route di default per l’intera sottorete 190.3


Instradamento di pacchetti IP

Il destination address coincide con quello di un’interfaccia del router

elaborazione localeIl destination address appartiene all’address rangedi una delle interfacce

reti punto-puntoinvio del datagramma sull’interfaccia

reti multipunto con broadcastrisoluzione dellindirizzo con ARPinvio diretto verso il destinatario

reti multipunto senza broadcastl’indirizzo nativo (data-link) dell’host sulla rete destinataria deve essere configurato staticamente


Instradamento di pacchetti IPIl destination address non è in nessuno degliaddress range corrispondenti alle interfacce del router

consultazione della “routing table”invio del datagramma al “next hop” indicato sulla routing tablese non esiste una entry esplicita viene inviato sulla default route

Se l’indirizzo destinazione appartiene a piùaddress range viene preferito quello con più 1 nella netmask


Entry sulle tabelle di routing

Direttiaddress range corrispondenti alle interfacce del router

Staticiroute configurate staticamente dal gestore

Dinamiciaddress range appresi attraverso un ‘protocollo di routing’route apprese attraverso ICMP redirect

Nel caso la route per uno stesso address range sia appresa da diverse fonti deve essere specificato quale deve essere preferita


FrammentazionePuò essere necessaria quando i collegamenti hanno MTU (Maximum Transfer Unit) diverse

H1 H2

R1 R2

Net 1MTU=1500

Net 2MTU=620

Net 3MTU=1500


R1 esegue la frammentazione

Payload (campo dati)Intestazione

Primi 600 byte

20 byte 1480 byte

Altri 600 byte

Ultimi 280 byte

Intestazione(da 1 a 600)




FrammentazioneIl pacchetto originale viene frammentato in pacchetti di dimensione inferiore alla MTUL’intestazione viene riportata in ogni frammento variando solo i campi:

FLAGS (bit MF)Fragment OffsetChecksumTotal Lenght (è quella del frammento)Alcuni campi opzionali

I frammenti possono arrivare out of order


RiassemblaggioAlla ricezione del primo frammento il router fa innesca un reassembly timerMemorizza tutti i frammenti in un bufferSe allo scadere del timer il pacchetto non ècompleto viene scartato

IPv4 Internet Protocol Versione 4 - Studio Reti

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