Rete IP e Time to Live

Presentazione del corso

• Corso di Internet e IP, tenuto da Franco Callegati
• Dipartimento di Informatica: Scienza e Ingegneria
• Anno Accademico 2018-2019, Alma Mater Studiorum Università di Bologna

I protocolli di Internet

• Argomento principale: protocolli di Internet
• Presentazione dell'architettura a strati di Internet
• Specificazione dei protocolli in ogni strato (applicativo, trasporto, rete, data link, fisico)
• Elenco di protocolli specifici nei diversi strati

Architettura di Internet

• Descrizione schematica dell'architettura a strati di Internet
• Rappresentazione grafica degli strati
• Strato applicativo (es. e-mail, ftp, telnet, www)
• Strato trasporto (es. TCP, UDP)
• Strato rete (es. ICMP, IP, ARP)
• Strato data link (tecnologie specifiche, es. IEEE 802, Ethernet, X25, Aloha, ecc.)
• Strato fisico (collegamento fisico)

Internet Protocol (IP) - RFC 791

• Progettato per la commutazione di pacchetto in modalità connectionless
• Si occupa della trasmissione di datagrammi da sorgente a destinazione attraverso reti eterogenee
• Identifica host e router tramite indirizzi IP di lunghezza fissa
• Frammenta e riassembla i datagrammi
• Offre un servizio di tipo best-effort (senza garanzie di affidabilità)

Struttura degli indirizzi IP

• Indirizzi di lunghezza fissa pari a 32 bit
• Rappresentati in notazione decimale separati da punti (dotted decimal)
• Numero teorico massimo di indirizzi pari a 2^32 (4.294.967.296)
• In realtà, il numero utilizzabile è molto inferiore

Formato del pacchetto IP

• Descrizione del layout del pacchetto IP
• Descrizione dei campi nel header del pacchetto IP
• Version, IHL, Type of service, Total length, Identification, Flags, Fragment offset, TTL

Significato delle PCI (Particolari campi dell'intestazione)

• Significato dei vari campi del header, come versione, lunghezza dell'intestazione, tipo di servizio richiesto, lunghezza totale del datagramma

Significato dei Flag

• Descrizione del significato dei bit di flag nel header IP (DF, MF)

Fragment Offset

• Descrizione di come vengono identificati i blocchi del datagramma
• Numero logico del blocco del datagramma specificato nel campo Fragment Offset

Implementazione

• Descrizione di chi frammenta il datagramma
• Descrizione della numerazione tramite offset dei frammenti
• Metodologie di frammentazione e riassetto

Perché la segmentazione?

• Necessità di frammentazione dei dati in pacchetti più piccoli dovuta alla limitazione di dimensione dei frame nei livelli inferiori
• Spiegazione pratica con diagramma

Il riassemblamento

• Il protocollo IP non garantisce la trasmissione in sequenza dei frammenti
• Problematiche di ri-assemblaggio

Calcolo dell'Offset

• Descrizione di come viene calcolato l'offset di un datagramma IP

Formato del pacchetto IP (4)

• Time to live (TTL): massimo numero di nodi attraversabili
• Protocol: identifica il protocollo di livello superiore al quale appartengono i dati del datagramma
• Header checksum: controllo di errore dell'intestazione
• Source e Destination Address: indirizzi sorgente e di destinazione

Formato del pacchetto IP (5)

• Descrizione delle opzioni, di lunghezza variabile, contenute nel pacchetto IP
• Descrizione del padding per garantire una lunghezza multipla di 32 bit

L'instradamento IP

• La rete internet è una rete a commutazione di pacchetto molto complessa
• Esistono molti modi per raggiungere una certa destinaizone da una sorgente
• Chi decide il percorso da seguire e come lo fa?
• Si decide pacchetto per pacchetto o per flusso dei dati?

Come funziona Internet

• Internet è una "rete di reti"
• La componente elementare è la network IP
• Ogni network IP è un'isola
• L'isola tipicamente contiene calcolatori (host)
• Le isole sono interconnesse da apparati detti router/gateway

La tecnologia

• Ogni network IP può essere implementata con una tecnologia specifica (es. Wi-Fi, ADSL, Ethernet, GPRS/EDGE/LTE)

La network IP

• I calcolatori di una network IP sono connessi dalla stessa infrastruttura di rete fisica

Internet: reti di reti

• Rappresentazione grafica di diverse Reti IP isolate interconnesse

Rete logica e rete fisica

• Rete logica (network IP)
• Rete fisica (tipica LAN) connessa ad un Host
• Indirizzi locali (es. MAC)
  • Indirizzi fisici nascosti dall'architettura a strati

Interconnettere le isole

• Necessità di collegamenti tra le isole e di apparati che permettono di usarli correttamente
• Tecnologie per interconnessione
• Scelta del giusto collegamento per raggiungere un'isola specifica

I router

• Apparati di rete che interconnettono diverse reti IP
• Descrizione delle funzioni di un gateway/router

Il percorso end-to-end

• Descrizione del percorso dei dati tra due host

Cosa fa IP

• La tecnologia IP è agnostica rispetto alla tecnologia utilizzata per le network
• Il protocollo IP è concepito per funzionare indipendentemente dalle diverse tecnologie utilizzate
• L'obiettivo di IP è quello di permettere il dialogo tra network indipendentemente da come queste vengono implementate e localizzate

La domanda cruciale (e la risposta)

• Interoperabilità tra le reti
• Ogni nodo di Internet ha una base dati per le destinazioni possibili
• Ogni nodo decide l'azione da intraprendere per inoltrare i datagrammi
• La tecnologia utilizzata per la propria network può essere usata per raggiungere la destinazione finale o un primo router

Le network fra i router

• Rappresentazione grafica delle network interconnesse tramite router

L'instradamento IP

• Descrizione del processo di instradamento dei datagrammi IP tra i diversi router

Semantica dell'indirizzo IP

• Un indirizzo IP è suddiviso in due parti: Net-ID e Host-ID
• Net-ID identifica la network IP
• Host-ID identifica un host specifico all'interno della network IP
• Bit contigui utilizzati per Net-ID e Host-ID
• Net-ID occupa la parte sinistra dell'indirizzo
• Host-ID occupa la parte destra dell'indirizzo

Reti IP private (RFC 1918)

• Alcuni gruppi di indirizzi IP sono riservati alle reti private
• Questi indirizzi non sono raggiungibili dalla rete pubblica
• I router di internet non instradano datagrammi destinati a tali indirizzi
• Possono essere riutilizzati in reti isolate

Come si distingue Net-ID da Host-ID?

• Utilizzo della maschera di rete (netmask)
• Il numero IP viene associato ad una maschera di 32 bit che indica quali bit rappresentano il Net-ID e quali l'Host-ID
• La netmask si può rappresentare in varie notazioni (dotted-decimal, esadecimale, abbreviata)

Netmask

• Esempio di come viene utilizzata la netmask per definire subnet
• Notazioni di Netmask e sottoreti

Esempio: Università di Bologna

• Esempio di come individuare Net-ID e Host-ID in un caso pratico

La domanda cruciale (e la risposta) (con diagramma)

• Direzione dei dati: direct delivery o indirect delivery
• Processo di instradamento locale per la decisione fra le due opzioni

Instradamento diretto e indiretto

• Direct delivery
  • IP sorgente e di destinazione appartengono alla stessa rete
  • L'host sorgente invia il datagramma direttamente al destinatario
• Indirect delivery
• IP sorgente e di destinazione appartengono a reti diverse
• L'host sorgente invia il datagramma ad un router intermedio

Direct Delivery (diagramma)

• Rappresentazione grafica del processo di instradamento diretto

Indirect Delivery (diagramma)

• Rappresentazione grafica del processo di instradamento indiretto

Relazione Indirizzi Fisici – Indirizzi IP

• Software di basso livello che nasconde gli indirizzi fisici
• Comunicazione tra host attraverso reti fisiche (es. LAN)
• Riconoscimento reciproco degli indirizzi fisici
• L'host A invia datagrammi all'host B attraverso la stessa rete fisica
• Come si ricava l'indirizzo fisico di B dato solo il suo indirizzo IP?

Address Resolution Protocol - ARP (RFC 826)

• Il nodo sorgente invia una richiesta ARP broadcast per ottenere l'indirizzo fisico del nodo di destinazione
• Tutte le stazioni della rete locale leggono la richiesta
• Il destinatario risponde con un messaggio ARP reply che contiene il suo indirizzo fisico

Address Resolution Protocol - ARP (3)

• Il destinatario risponde al mittente con un messaggio ARP reply contenente il suo indirizzo fisico
• Ogni host mantiene una tabella (cache ARP) per le corrispondenze fra indirizzi logici e fisici

Comando ARP

• Comando arp -a: visualizza il contenuto della cache ARP con le corrispondenze tra gli indirizzi IP e MAC

Comando ARP – Esempio

• Mostra l'output del comando arp -a, che include interfaccia, indirizzo IP e indirizzo fisico

Indirect Delivery (diagramma)

• Rappresentazione grafica del processo di instradamento indiretto

Da mittente a destinatario

• Consegna dati tra mittente e destinatario
• Consegna diretta
• Possibilità di consegne indirette

Come scegliere?

• Come determinare se fare una consegna diretta o indiretta
• Come scegliere il gateway giusto se ce ne sono più di uno

La tabella di instradamento IP

• La base dati dei router in forma di tabella
• Righe (route): contengono informazioni relative all'instradamento (Destination, Netmask, Gateway, Interface, Metrica)
• Colonne (campi): contengono diverse opzioni di instradamento
• Formato della tabella dipende dal sistema operativo e dall'implementazione

Route

• Campi della singola rotta:
• Destinazione (D): indirizzo IP valido (network o host)
• Netmask (N): maschera di rete valida
• Gateway (G): indirizzo IP per inoltrare il datagramma
• Interfaccia (IF): interfaccia di rete da utilizzare
• Metrica (M): costo della route

La tabella

• Esempio di tabella di instradamento con dati

Uso della tabella di instradamento

• Estrazione indirizzo IP di destinazione dal datagramma
• Selezione del percorso appropriato nella tabella
• Processo di "table lookup" per trovare il percorso corretto
• Gestione delle eccezioni: se il route non esiste, il messaggio di errore di destinazione irraggiungibile (ICMP) viene inviato al mittente

Table lookup e Longest prefix match

• Ricerca in una tabella di percorsi per selezionare la route migliore
• Criterio di selezione: Longest prefix match
• Processo per selezionare la route più specifica

Esempio di lookup - 1

• Esempio pratico di come viene eseguito il table lookup

Esempio di lookup - 2

• Un altro esempio di come viene eseguito il table lookup

Esempio di lookup - 3

• Un altro esempio di come viene eseguito il table lookup

Gateway

• Concetto di Gateway nella tabella di instradamento.
• Descrizione dei campi Gateway nella tabella di instradamento

Il ruolo del Gateway

• Descrizione del ruolo del gateway nella trasmissione dei datagrammi

Uso del Gateway (diagramma)

• Visualizzazione grafica di come viene utilizzato il gateway per il routing

Esempio

• Esempio di instradamento con diverse reti e più router

Perché ordinare i route?

• Priorità delle route più specifiche
• Ordinamento in funzione della netmask per specificità decrescente (host specific, network specific, default gateway)

Eccezioni

• Gestione di eccezioni nel routing

Eccezioni (diagramma)

• Visualizzazione delle eccezioni nelle tabelle di routing e come vengono gestite

Classless VS Classfull: la logica degli indirizzi IP

• Logica precedente (Classfull)
• Logica attuale (Classless)

IP e netmask

• Il numero IP è un valore assoluto a livello di rete
• La netmask è relativa al singolo nodo

Classe delle reti

• Descrizione delle classi di reti IP (A, B, C) e loro intervalli di indirizzi

Intervalli di indirizzi

• Intervalli di indirizzi per le diverse classi di reti IP

Le sottoreti

• Suddivisione di una rete in sotto-reti (subnet)
• Sotto-ripartizioni Net/Host ID
• Frammentazione dell'Host-ID

Subnetting

• Discussione del subnetting e come si suddividono le reti
• Suddivisione locale all'interfaccia di rete
• Possibilità di personalizzare la netmask

Esempio: Università di Bologna

• Esempio di sottorete nell'Università di Bologna
• Numerose entità distinte si suddividono in sottoreti (subnet)
• Utilizzo del primo byte dell' Host-ID per gli indirizzi di sottorete
• Netmask dell'esempio: 255.255.255.0

Subnetting (diagramma)

• Illustrazione grafica del concetto di subnet
• Relazione tra subnet e gateway

Subnetting (diagramma)

• Illustrazione grafica del concetto di subnet e come il gateway permette l'instradamento tra diverse subnet

CIDR

• Introduzione del CIDR (Classless Inter-Domain Routing)
• Logica alternativa alle classfull
• Vantaggi in termini di flessibilità e scalabilità per l'instradamento nel vasto ambiente internet
• Tabella di routing che deve comprendere la netmask

Obiettivi del CIDR

• Allocazione di indirizzi IP con dimensioni variabili
• Maggiore utilizzo dello spazio degli indirizzi IP
• Accorciamento delle informazioni di routing
• Limitazione dell'esplosione delle tabelle di routing

Supernetting

• Descrizione del supernetting (combinazione di reti consecutive in un'unica rete "super-rete")
• Specificazione del Net-ID e della netmask per la super-rete

Supernetting

• Supernetting e subnetting sono operazioni duali
• Accorpamento dei bit del Net-ID

Oggi

• La distinzione fra Net-ID e Host-ID è locale e dipende dalla netmask
• Lo stesso indirizzo IP può essere interpretato in modo diverso in posizioni diverse della rete
• Tutte le tabelle di routing devono contenere la colonna Netmask

Esempio

• Esempio pratico di come diverse reti possono comunicare con un gateway NAT

Pianificare la numerazione di reti IP

• Esempio pratico di una compagnia che richiede il progetto di una rete che interconnetta tra di loro tre uffici (S1, S2, S3)

Architettura

• Illustrazione grafica dell'architettura di rete proposta

La scelta della netmask

• Tabella che riporta le possibili netmask, il numero di host supportati e il numero di subnet

Soluzione 1

• Proposta di una soluzione per la numerazione delle reti

Soluzione 1 (diagramma)

• Visualizzazione grafica dell'architettura di rete con la prima soluzione proposta

Soluzione 1 (dettagli)

• Individuazione dei router della rete LAN e della rete MAN
• Indirizzi IP dei diversi host

Scelta di netmask diverse

• Tabella che riporta diversi valori di netmask con relativi parametri

Soluzione 2

• Proposta di una soluzione alternativa per la numerazione delle reti

Soluzione 2 (diagramma)

• Illustrazione grafica dell'architettura con la seconda soluzione

Il protocollo ICMP

• ICMP (Internet Control Message Protocol)
• ICMP offre un servizio di controllo per IP

Il protocollo ICMP

• Lo scopo è gestire situazioni anomale e comunicare informazioni sulla rete (ad esempio, errori o irraggiungibilità della destinazione)
• I pacchetti ICMP sono incapsulati nei datagrammi IP; ICMP è anche un utente IP

Pacchetto ICMP

• Formato del pacchetto ICMP
• Descrizione dei campi (Type, Code, Checksum, Additional Fields, Data)

Tipi di errori

• Errore Destination Unreachable
  • Codici di errore (0, 1, 2, 3, 4)

Tipi di errori

• Errore Time Exceeded
• Quando il tempo di vita di un datagramma scaduto
• Code 0 = errore router
• Code 1 = errore di riassemblamento dell'host

Informazioni

• Tipo di errore Echo (Type = 8)
• Tipo di errore Echo Reply (Type = 0)
• Identificativo e numero di sequenza
• Dati opzionali

Informazioni

• Richiesta timestamp (Type = 13)
• Risposta timestamp (Type = 14)
• Utilizzo per la misurazione del tempo di transito nella rete

Informazioni

• Richiesta indirizzo maschera (Type = 17)
• Risposta indirizzo maschera (Type = 18)

Router Solicitation/Advertisement

• Messaggi per la localizzazione dei router sulla rete

Applicazioni di ICMP

• Ping: verifica la raggiungibilità di un host
• Comando ping
  • Invio di un pacchetto ICMP "echo"
  • Attesa di una risposta "echo reply"
• Opzioni del comando ping

Comando PING

• Comando ping e relativo output

Comando TRACEROUTE

• Comando tracert per tracciare il percorso di un datagramma

Gestione della numerazione

• DHCP
• Configurazione ip, netmask, broadcast name, gateway, DNS automatiche
• DHCP
  • ICMP
  • Messaggi DHCPDISCOVER, DHCPOFFER, DHCPREQUEST, DHCPACK

Dispositivi di rete

• DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) per configurazioni IP
• Packet Filter per il filtraggio dei pacchetti
• Application Layer Gateway (ALG) / Proxy per la gestione a livello applicativo
• Firewall per la protezione della rete

Dispositivi di rete

• DHCP funzionalità per configurare gli indirizzi IP per diversi host
• Packet Filter, firewall e funzionalità per proteggere la rete dai malfunzionamenti

Network Address Translation (NAT)

• Tecnica per il mascheramento degli indirizzi IP
  • Risparmio degli indirizzi IP pubblici; riutilizzo degli indirizzi IP privati

NAT: motivazioni

• Utilizzo efficiente dello spazio degli indirizzi IP privati
• Migliore sicurezza (nascondendo gli indirizzi IP interni).

Network (+Port) Address Translator (NAT)

• Metodologia di mappatura per il networking

Basic NAT

• Semplici conversioni di indirizzi IP
• Limiti sulle conversioni contemporanee in funzione del numero di indirizzi IP pubblici a disposizione

Conversione di indirizzo e porta

• Possibilità di conversione di indirizzi IP e porte TCP/UDP

Direzione delle connessioni

• NAT per la conversione di connessioni da rete privata a rete pubblica

Port forwarding

• NAT per l'ingresso di pacchetti su porte specifiche

Analisi di connessioni attraverso NAT (diagramma)

• Analisi di una serie di connessioni TCP/UDP per mostrare come il NAT gestisce il traffico tra reti diverse

NAT e applicazioni di rete

• Trasparenza del NAT per applicazioni, con esempi di applicazioni non trasparenti (es., FTP)
• Politiche di accesso per il traffico

Revisione del contenuto

• Aggregazione: Raggruppare più sottoreti in un'unica voce nella tabella di routing
• Ordinazione dei route: assegnare priorità alle route più specifiche
• Eccezioni: includere eccezioni per regole generali nella tabella di routing

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