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Lezione 6
Lezione 6
Internet
Gianluca Reali
Lezione 6
Caratteristiche generali (1/2)
Le entità di elaborazione fondamentali all’interno di questa struttura sono gli host e i router
Gli host:sono sorgente e destinazione di informazione, hanno unun indirizzo IP e unaunainterfaccia di retesono connessi tramite connessioni di rete che supportano capacità di trasferimento comprese tra decine di byte e megabyte al secondo
I router:hanno due o piùdue o più interfacce di rete con corrispondenti indirizzi IPinoltrano le unità informative IP
La modalità di trasferimento, nello strato di rete, è senza La modalità di trasferimento, nello strato di rete, è senza connessioneconnessione
Lezione 6
Caratteristiche generali (2/2)
Lo strato di rete non fornisce alcuna garanzia sulla qualità di servizio (grado di integrità informativa, ritardo di trasferimento, grado di trasparenza temporale, etc.)
Il compito di rendere la qualità di servizio adeguata alle esigenze degli utenti è demandato agli strati superiori residenti negli host
I suoi protocollisono logicamente situati al di sopra di qualsivoglia altro protocollo di rete (eventualmente duplicandone le funzioni) sono in grado di operare su diverse piattaforme hardware utilizzando qualsiasi sistema operativo (UNIX, Mac OS, Windows...)
Lezione 6
Struttura di rete
Internet è la particolare inter-rete basata sui protocolli TCP/IP
Internet non è quindi una nuova rete ma un insieme di risorse e di convenzioni per interconnettere delle reti (che sono quindi viste da Internet come sotto-reti)
Scopo di Internet è quindi consentire a host appartenenti a sotto-reti disomogenee (per topologia, struttura fisica, modi di trasferimento e prestazioni) di comunicare tra loro
Internet non prevede una traduzione dei protocolli nel passare da una sotto-rete all’altra ma incapsula (tunneling) le unità informative di IP nelle unità dati dei protocolli di strato di rete delle sotto-reti che attraversa
Lezione 6
Struttura di reteLe inter-connessioni tra diverse sotto-reti sono assicurate da elaboratori operanti come router
Lezione 6
Struttura di rete
RSotto-rete 1 Sotto-rete 2H
H
H
H
H
i router instradano i pacchetti solo verso la sotto-rete di destinazione e non verso il singolo host di destinazione
una volta che il pacchetto arriva alla sotto-rete di destinazione sono i protocolli di questa sotto-rete ad indirizzarlo verso lo specifico host di destinazione
Lezione 6
Struttura di rete
Al crescere della complessità della inter-rete il funzionamento dei router dipende dall’intera topologia di Internet, ossia occorre un grado di conoscenza delle interconnessioni di rete oltre a quella delle sotto-reti alle quali i router sono direttamente connessi
R1 Sotto-Rete 3
Sotto-Rete 2
R2Sotto-Rete 1
Lezione 6
Struttura di rete
La struttura di rete è non gerarchica
Le sotto-reti componenti possono essere distinte insotto-reti che utilizzano direttamente IP come protocollo di strato 3sotto-reti basate su altri protocolli di strato 3
I protocolli TCP/IP trattano tutte le sotto-reti in modo omogeneo; ad esempio, ognuno dei seguenti sistemi di comunicazione è visto da Internet come una singola sotto-rete
una rete in area locale (es. Ethernet)una rete in area metropolitana (es. FDDI)una rete geografica (es. la rete telefonica)una connessione punto-punto dedicata
Lezione 6
Esempio di sotto-rete IP
Lezione 6
Interconnessione di reti non IP - Gateway
Lezione 6
Architettura protocollare
L’insieme di protocolli TCP/IPriesce a inter-connettere tutti i tipi di sotto-rete in quanto assume che le funzionalità degli strati sottostanti costituiscano solo una piattaforma per il trasferimento fisicorealizza tutte le funzioni tipiche del trasporto: controllo di errore, indirizzamento, instradamento, frammentazione e aggregazione delle unità informative, loro inoltro in rete
Se alcune o tutte queste funzioni non erano state svolte da una particolare rete, TCP/IP le realizza; se erano già state volte le duplica, realizzandole nuovamente
Ciò conduce ad eventuali duplicazioni di funzioni ma consente di non imporre alcun vincolo sulla tecnologia e sui protocolli delle sotto-reti di trasporto che interconnette (X.25, Frame Relay, ATM, LAN, MAN, rete telefonica etc.)
Lezione 6
Architettura protocollare
Le prestazioni da estremo a estremo (velocità di trasmissione delle informazioni, grado di trasparenza temporale e di integrità informativa) sono quindi fortemente legate alle caratteristiche delle sotto-reti attraversate
Il trasferimento delle unità informative può richiedere una frammentazione delle stesse laddove le dimensioni delle unità informative gestite dalle sotto-reti non coincidano con le dimensioni massime consentite
Lezione 6
Architettura protocollare
Strati ProtocolliServizi applicativi:
TELNETSMTP
FTPX-Window
5-7 HTTPTALK
GOPHER
ARCHIE
WAIS
WHOIS News
Listserv
4 TCP UDP3c IP
ICMP
3b ARP/RARP≈3a X.25 strato 3, SNA, DECnet, ATM+AAL, PPP, LLC, etc.≈2 X.25 strato 2, 802.3, 802.4, Ethernet etc.1 Strato fisico
RIP
DNS
NFS
SNMPTFTP
Tutti gli strati inferiori a IP, fino a 3a compreso, sono considerati come "Network Access Layer" e sono trattati indifferentemente dalla loro costituzione
Lezione 6
Architettura protocollare
IP è un protocollo di strato di rete; le sue principali funzionisono
l’indirizzamentol’instradamentola frammentazione e l’aggregazione delle unità informative
Tratta ciascun pacchetto come un messaggio indipendente da tutti gli altri; non esistono pertanto, a questo strato, i concetti di connessione e di circuito logico: il protocollo IP è senza connessione
Lezione 6
Architettura protocollare
Il servizio è inaffidabile e basato sul paradigma del “best effort”, ossia la rete cerca di “fare del suo meglio”
Il servizio è definito inaffidabile perché la consegna di una unità informativa non è garantita. Queste possono essere perse, duplicate o consegnate fuori sequenza
Il protocollo TCP offre un servizio affidabile orientato alla connessione
1) trasferisce un flusso informativo continuo e bi-direzionale2) può sopperire a problemi di perdita, duplicazione e consegna fuori
sequenza dei dati3) attua anche un controllo di flusso che consente di adeguare il volume
dei dati trasferito alle possibilità di ricezione4) a questo scopo viene utilizzato un meccanismo a finestra scorrevole e
variabile
Lezione 6
Architettura protocollare
ICMP (Internet Control Message Protocol) è un protocollo senza connessione ed è utilizzato per
risolvere eventuali situazioni anomalecontrollare il trasferimento (controllo di flusso di tipo On-Off)comunicare alle sorgenti eventuali problemi (ad es. di indirizzamento)
Esempi:Source Quench: inviato dal destinatario, interrompe l'emissione di datagrammi del mittente;Redirect: il destinatario segnala al mittente di re-instradare il datagramma verso un altro host;Echo: controlla se un possibile destinatario è attivo,Destination Unreacheable: notifica al mittente la non-raggiungibilità di un host
Lezione 6
Architettura protocollare
SNMP (Simple Network Management Protocol) è il protocollo di gestione di rete
I protocolli ARP e RARP (Address Resolution Protocol, Reverse Address Resolution Protocol) sono di supporto, e servono a determinare l'indirizzo fisico locale corrispondente ad un indirizzo Internet, (ARP), o viceversa (RARP)
Lezione 6
Il protocollo IP (Internet Protocol)
Fornisce le seguenti funzionalità:definisce lo schema di indirizzamento;definisce l’unità base per il trasferimento dei dati;definisce la strada che un’unità dati deve percorrere per arrivare a destinazione;specifica un insieme di regole che host e gateway devono seguire per elaborare le unità informativeframmenta e ri-assembla le unità dati
Lezione 6
Formato dell’unità dati
Le unità-dati dello strato IP sono dette datagrammi. La lunghezza massima di un segmento è di 65536 ottetti
0 4 8 16 19 24 31VERS HLEN SERVICE
TYPETOTAL LENGTH
IDENTIFICATION Flags FRAGMENT OFFSETTIME TO
LIVEPROTOCOL HEADER CHECKSUM
SOURCE IP ADDRESSDESTINATION IP ADDRESS
OPTIONS PADDINGDATADATA
...
Lezione 6
Formato dell’unità datiVers: versione del protocollo usata; grazie a tale campo è possibileche più versioni di IP operino contemporaneamenteHLEN: lunghezza dell'intestazione (specificata in parole di 32 bit)Service type: specifica parametri della qualità di servizio richiesti dall’utente: affidabilità, velocità di trasferimento)Total length: (16 bit) specifica la lunghezza del datagramma, misurata in ottetti, includendo l'intestazione ed i dati (216-1=65535 byte)Identification: (16 bit) numero del datagramma; è un valore identificativo assegnato dal processo sorgente al datagramma o ai suoi frammentiFlags: è un campo di 3 bit: X, DF e MF
–X: non usato e posto a zero
–DF: Don't Fragment; se 0 indica che il datagramma può essere frammentato, se 1 non può esserlo
–MF: More Fragment; se 0 indica che è l'ultimo frammento, se 1 che ci sono altri frammenti
Lezione 6
Formato dell’unità datiFragment Offset: (13 bit); posizione del frammento all'interno del datagramma, espresso in unità di 8 byte può numerare 8192 frammenti; se uno o più frammenti non viene ricevuto, verrà scartato l'intero datagrammaTime to Live: (8 bit); indica quanto tempo il datagramma può rimanere all'interno della reteProtocol: indica a quale protocollo dello stato superiore deve essere trasferito il contenuto informativo del datagramma Header Cecksum: l'intestazione è protetta da un controllo di erroreSource Address: (32 bit); indirizzo di sorgente IP (ovvero dell’host, non dell’utente finale)Destination Address: (32 bit); indirizzo di destinazione IP (ovvero dell’host, non dell’utente finale)
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Formato dell’unità dati
Options: campo di lunghezza variabile (multipli di 8 bit) che può essere omesso. È composto da tanti ottetti quante sono le opzioni implementate. Ad esempio:
– Record Route Option (RRO): consente al mittente di creare una lista vuota di indirizzi IP in modo che ogni nodo attraversato inserisce il suo indirizzo in questa lista
– Source Route Option: consente al mittente di specificare i nodi attraverso i quali vuole che transiti il datagramma
– Timestamp Option: come RRO con in più l'istante temporale in cui il datagramma attraversa i diversi nodi
Padding: rende la lunghezza dell'intestazione multipla intero di 32 bit mediante introduzione di zeri
Lezione 6
Frammentazione e ri-assemblaggio
Le reti individuali possono avere diverse limitazioni per la lunghezza dei pacchetti; il datagramma deve quindi poter essere frammentato per attraversare le diverse reti
Le procedure di segmentazione e ri-assemblaggio devono essere in grado di frammentare il pacchetto originario in un numero arbitrario di unità che, giunte a destinazione, devono poter essere ricomposte nella forma originaria
Lezione 6
Frammentazione e ri-assemblaggio
Diversi collegamenti di rete hannoMTU (Maximum Transfer Unit) diverse, corrispondenti a diverse dimensioni della trama sottostante
Differenti tipi di collegamenti, differenti MTU
Grandi datagrammi IP divisi(frammentati) nella rete
Un datagramma suddiviso in piùdatagrammiRiassemblato soltanto alladestinazione finaleI bit dell’intestazione IP sono usatiper identificare e ordinare i varisegmenti
frammentazione: in: un datagramma grandeout: 3 datagrammi più piccoli
reassembly
Lezione 6
Frammentazione e ri-assemblaggioLength=4000 =
20 Header+
3980 Dati
ID=x
offset=0
Frag-flagDF=0, MF=0
length=4000
ID=x
offset=0
Frag-flagDF=0, MF=1
length=1500
Un datagramma grande è suddiviso in datagrammi più piccoli
Length=1500 =20 Header +
1480 Dati
ID=x
offset=1480
Frag-flagDF=0, MF=1
length=1500
Length=1500 =20 Header +
1480 Dati
Length=1040 =20 Header +
1020 DatiID=x
offset=2960
Frag-flagDF=0, MF=0
length=1040
=> Lunghezza totale 3 datagr. = 4040 (2 intestaz. in più)
Lezione 6
Schema di indirizzamento
Internet è stata definita sistema di comunicazione universale perché consente ad ogni host di comunicare con ogni altro host
Al tal fine è necessario stabilire un metodo globalmente accettato per identificare ed indirizzare in modo univoco tutti gli host
Ciò ha reso necessaria la definizione di un nuovo schema di indirizzamento, dato che ognuna delle sotto-reti ne ha uno proprio, e quindi potenzialmente non univoco (a livello globale), (indirizzi MAC, indirizzi X.25, numeri telefonici etc.)
Lezione 6
Schema di indirizzamentoGli indirizzi devono essere unici in tutta la rete (è possibile attribuire indirizzi arbitrari ad una sub-rete TCP/IP solo se questa non è connessa con altre reti)
Un indirizzo IP identifica una interfaccia di rete. Nel caso di host, un indirizzo IP corrisponde anche allo stesso host, ma non ad uno specifico utente dei servizi IP. L’identificazione di un utente (processo applicativo, in senso OSI e TCP/IP) all’interno di un host è affidata ai protocolli di strato superiore (TCP o UDP)
Lo schema di indirizzamento IP è stato progettato per consentire un efficiente instradamento. Un indirizzo IP identifica prima la rete alla quale un host è connesso e poi l’host all’interno di quella rete
Lezione 6
Schema di indirizzamentoUn indirizzo IPv4 è costituito da 32 bit, logicamente suddivisi in due parti: Net_Id e Host_Id. L’indirizzo completo può quindi essere scritto come:
IP_AddressIP_Address = = Net_IdNet_Id . . Host_IdHost_Id
La lunghezza dei due campi determina la classe degli indirizzi
Lezione 6
Schema di indirizzamentoIndirizzamento “per Indirizzamento “per classiclassi”:”:
127 reti, 16 777 216 host
16384 reti, 65 536 host
2 097 152 reti, 256 host
268 435 456 indirizzi
Lezione 6
Schema di indirizzamento
Notazione numerica, “dotted decimal” e “mnemonica”; esempio:
Un opportuno protocollo (DNS) provvede a tradurre un indirizzo numerico in mnemonico e viceversa
10001101 11111010 00101000 01100101
141. 250. 40. 101
net5.diei.unipg.it
Lezione 6
Schema di indirizzamentoAl fine di assicurare che ogni indirizzo di Internet sia unico è stata costituita un’autorità centrale con il compito di assegnare gli indirizzi: Internet Assigned Number Authority (IANA), recentemente sostituita da Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN)
Viene però assegnata solo la parte Net_Id delegando poi l’organizzazione richiedente per l’assegnazione della restante parte dell’indirizzo, l’Host_Id
La IANA ha definito degli indirizzi IP privati
BLOCCO Indirizzo iniziale Indirizzo finale I 10.0.0.0 10.255.255.255 II 172.16.0.0 172.31.255.255 III 192.160.0.0 192.168.255.255
Lezione 6
Schema di indirizzamentoL’organizzazione alla quale è assegnata una Net_Id potrà suddividere la parte di Host_Id per creare, al suo interno, delle sotto-reti (subnetting) ognuna delle quali avrà la stessa Net_Id; il processo può essere iterativo
Indirizzo di classe B
Indirizzo con definizione di sotto-rete
netmask
L’operazione di XOR fra l’indirizzo IP e la netmask consente di individuare l’indirizzo della sotto-rete. Dal punto di vista dei core router, che instradano i datagrammi sulla base del Net-id, il subnetting è trasparente
Lezione 6
Schema di indirizzamento
Come determinare una rete:
Staccare ogni interfaccia dairouter / host
Creare “isole” di indirizzi IP
223.1.1.1
223.1.1.3
223.1.1.4
223.1.2.2223.1.2.1
223.1.2.6
223.1.3.2223.1.3.1
223.1.3.27
223.1.1.2
223.1.7.0
223.1.7.1223.1.8.0223.1.8.1
223.1.9.1
223.1.9.2
Il Il sistemasistema interconnessointerconnessoè è compostocomposto dada 6 sotto6 sotto--retireti
Lezione 6
Schema di indirizzamentoEsempio di subnetting di una rete ethernet interconnessa
Lezione 6
Indirizzamento IP: CIDRIndirizzamento per classi:
Uso inefficiente dello spazio degli indirizzi => si stanno esaurendorapidamenteEsempio: una organizzazione che necessita di alcune migliaia di indirizziIP è costratta a richiedere un blocco di classe B, che consente diindirizzare 64K host.
CIDR: Classless InterDomain RoutingLa porzione di rete dell’indirizzo può essere dimensione qualsiasiFormato degli indirizzi: a.b.c.d/x, dove x è il numero di bit nella porzionedi rete nell’indirizzo (numero di bit più significativi in comune nel blocco)
11001000 00010111 00010000 00000000
Parterete
Partehost
200.23.16.0/23
Lezione 6
Indirizzamento IP: CIDR
In questo caso l’instradamento dei core router deve tener conto del formato variabile del Net-id
Per determinare il Net-id si usa la tecnica del “longestprefix match”, che consiste nel porre in AND l’indirizzo IP del datagramma con una netmask composta da x simboli “1”, i più significativi, e 32-x simboli “0”, con x che decrescente a partire da 32. Il processo si arresta quando viene individuato un indirizzo di rete noto
Se l’indirizzo di rete risulta sconosciuto il datagramma si instrada verso la porta di default
Lezione 6
Come ottenere l’indirizzo IP
Porzione host-id dell’indirizzo:
Codificato dall’amministratore di sistema in un file
DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: serve adottenere dinamicamente l’indirizzo IP (approccio “plug-and-play”)
L’host invia in broadcast il messaggio “DHCP discover”Il DHCP server risponde con il messaggio “DHCP offer”L’host richiede l’indirizzo IP con il messaggio “DHCP request”DHCP server invia l’indirizzo con il messaggio “DHCP ack”
Lezione 6
Come ottenere l’indirizzo IP
Porzione Net-id dell’indirizzo:
Porzione allocata dello spazio degli indirizzi dell’ISP
Blocco ISP 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/20
Organizzazione 0 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/23
Organizzazione 1 11001000 00010111 00010010 00000000 200.23.18.0/23
Organizzazione 2 11001000 00010111 00010100 00000000 200.23.20.0/23 ... ….. …. ….
Organizzazione 7 11001000 00010111 00011110 00000000 200.23.30.0/23
Lezione 6
Indirizzamento Gerarchico
L’indirizzamento gerarchico permette di esportare in modoefficiente le informazioni di instradamento:
“Mandami i datagrammi conindirizzo che comincia per
200.23.16.0/20”
200.23.16.0/23
200.23.18.0/23
200.23.30.0/23
Fly-By-Night-ISP
Organization 0
Organization 7Internet
Organization 1
ISPs-R-Us “Mandami i datagrammi conindirizzo che comincia per
199.31.0.0/16”
200.23.20.0/23Organization 2
...
...
Lezione 6
Indirizzamento Gerarchico
ISPs-R-Us esporta una strada più specifica verso Organization 1
“Mandami i datagrammi conindirizzo che comincia per
200.23.16.0/20”
200.23.16.0/23
200.23.18.0/23
200.23.30.0/23
Fly-By-Night-ISP
Organization 0
Organization 7Internet
Organization 1
ISPs-R-Us “Mandami i datagrammi conindirizzo che comincia per
199.31.0.0/16o
200.23.18.0/23”
200.23.20.0/23Organization 2
...
...
Lezione 6
Indirizzamento IP: per finire …
Come può un ISP ottenere un blocco di indirizzi ?
Risposta: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN):
Alloca gli indirizziGestisce il servizio di Guida (DNS)Assegna i nomi ai domini, risolve le dispute
Lezione 6
Instradamento
Ogni datagramma IP attraversa un cammino composto da router e da sotto-reti
Quando un router consegna un datagramma ad una sotto-rete questo diventa una unità dati propria della sotto-rete
La rete individuale consegna tale unità dati al routersuccessivo o alla stazione host di destinazione (se questo è all'interno della rete stessa) con le stesse modalità con le quali tratta una qualsiasi unità dati
Lezione 6
Instradamento
Bridge
host mittente
router X
router Y
sub-rete A (X25)
sub-rete B (?)
host destinatario
LAN 1
LAN 2
INTERNETNet_id Data
PCI ? Net_id Data
PCIPCI tramapacchet. Net_id Data
MACLLC
Net_id Data
Net_id Data
Net_id Data
Net_id Data
Lezione 6
Instradamento
L'instradamento in Internet può essere suddiviso in due classi
direttoindiretto
L’instradamento diretto è possibile solo se l’hostdestinatario è connesso alla sotto-rete fisica nella quale il datagramma è presente. In particolare si effettua solo un instradamento diretto quando gli host mittete e destinatario si trovano nella stessa sotto-rete.
l’instradamento indiretto si applica quando l’host destinatario è connesso ad una sotto-rete diversa da quella in cui si trova l’host mittente
Lezione 6
Tabelle di instradamento
Il meccanismo per l’instradamento in IP è basato su una tabella che ogni host o router mantiene allo scopo di conoscere le possibili destinazioni e le modalità per raggiungerle
Una tabella di instradamento contiene delle coppie (R,I) dove R è l’indirizzo della rete di destinazione e I è l’indirizzo del router successivo lungo la strada che porta alla rete di destinazione
La tabella di instradamento specifica quindi solo un passo lungo il cammino verso la destinazione
Un router non conosce quindi il cammino completo che il datagramma dovrà compiere
Lezione 6
Tabelle di instradamento
20.0.0.5
20.0.0.6
30.0.0.6 40.0.0.7
30.0.0.7
Rete10.0.0.0
Rete20.0.0.0
Rete30.0.0.0
Rete40.0.0.0R1 R2 R3
10.0.0.5
Per raggiungere hostindirizzati alla rete:
indirizzare i datagrammiverso questa strada (o
router):20.0.0.0 inoltrare direttamente30.0.0.0 inoltrare direttamente10.0.0.0 20.0.0.540.0.0.0 30.0.0.7
Tabella di instradamento di R2
Lezione 6
Algoritmo di instradamento del nodo X1)Estrazione dell’l’indirizzo IP di destinazione dal datagramma in arrivo2)se tale indirizzo coincide con quello di X (cioè con il nodo stesso) si estrae il
contenuto informativo e lo si consegna agli strati superiori per ulteriore elaborazione
3)altrimenti si determina la Net-Id dell’indirizzo e si decrementa il Time to Live del datagramma; se il Time to Live arriva a zero si scarta il datagramma
4)se la Net-Id coincide con quella di una sotto-rete alla quale è direttamente connesso il router X (cioè il router stesso) si invia il datagramma direttamente (cioè con instradamento diretto; ciò implica la traduzione dell’indirizzo IP in indirizzo fisico e l’incapsulamento nell’unità dati della rete in questione)
5)altrimenti se è stata richiesta una strada specifica si invia verso tale strada6)altrimenti se la Net-Id è compresa nella tabella di instradamento si inoltra il
datagramma come specificato nella tabella7)altrimenti, se è stata specificata una strada di default, si invia il datagramma al
default gateway8)altrimenti si dichiara un errore di instradamento e si scarta il datagramma
Lezione 6
Esempio di invio di un datagrammaTabella di routing in A
223.1.1.1
223.1.1.2
223.1.1.3
223.1.1.4 223.1.2.9
223.1.2.2
223.1.2.1
223.1.3.2223.1.3.1
223.1.3.27
A
BE
Dest. Net. next router N hops223.1.1 1223.1.2 223.1.1.4 2223.1.3 223.1.1.4 2
Datagramma IP:
miscfields
sourceIP addr
destIP addr data
Lezione 6
Esempio di invio di un datagramma
223.1.1.1
223.1.1.2
223.1.1.3
223.1.1.4 223.1.2.9
223.1.2.2
223.1.2.1
223.1.3.2223.1.3.1
223.1.3.27
A
BE
Dest. Net. next router N hops223.1.1 1223.1.2 223.1.1.4 2223.1.3 223.1.1.4 2
miscfields 223.1.1.1 223.1.1.3 data
Partendo da A, dato un datagramma IP indirizzato a B:
Guarda alla porzione retedell’indirizzo di B
Trova B nella stessa rete di A
Lo strato di collegamento invia ildatagramma direttamente a B dentro una trama di strato 2
B e A sono connessi direttamente
Lezione 6
Esempio di invio di un datagrammamisc
fields 223.1.1.1 223.1.2.2 data
223.1.1.1
223.1.1.2
223.1.1.3
223.1.1.4 223.1.2.9
223.1.2.2
223.1.2.1
223.1.3.2223.1.3.1
223.1.3.27
A
BE
Dest. Net. next router N hops223.1.1 1223.1.2 223.1.1.4 2223.1.3 223.1.1.4 2
Partendo da A, destinazione E:
Guarda alla porzione di retedell’indirizzo di E
E è su una rete differenteA ed E non sono direttamente connessi
Tabella di instradamento: ilprossimo salto (router) verso E è 223.1.1.4
Lo strato di collegamento invia ildatagramma al router 223.1.1.4 dentro una trama di stato 2
Il datagramma arriva a 223.1.1.4
…
Lezione 6
Esempio di invio di un datagramma
223.1.1.1
223.1.1.2
223.1.1.3
223.1.1.4 223.1.2.9
223.1.2.2
223.1.2.1
223.1.3.2223.1.3.1
223.1.3.27
A
BE
Dest. Net router N hops interface223.1.1 - 1 223.1.1.4223.1.2 - 1 223.1.2.9223.1.3 - 1 223.1.3.27
nextmisc
fields 223.1.1.1 223.1.2.2 data
Arrivando a 223.1.1.4, destinato a 223.1.2.2
Guarda la parte di rete dell’indirizzodi E
E è sulla stessa rete dell’interfacciadel router 223.1.2.9
Router ed E sono direttamenteconnessi
Lo strato di collegamento inviaildatagramma a 223.1.2.2 dentro unatrama di strato 2 attraversol’interfaccia 223.1.2.9
Il datagramma arriva a 223.1.2.2
Lezione 6
Determinazione delle tabelleLe tabelle di instradamento sono dinamiche: ogni router ed ogni host “imparano” nel tempo ed aggiornano le informazioni di instradamento
La necessità di un aggiornamento dinamico è dovuta al fatto che Internet non può essere considerata stabile; inoltre in caso di guasti alcune strade non sono utilizzabili
Se l’instradamento si basa su un algoritmo adattativo, allora l’aggiornamento deve anche tener conto di altre informazioni, come lo stato di occupazione delle risorse di rete
Le tabelle di instradamento devono quindi tenere conto di tutti questi cambiamenti ed essere aggiornate continuamente (anche ad intervalli di pochi secondi)
Questa operazione è attuata mediante opportuni protocolli che consentono ai router di comunicare
Lezione 6
Sistemi autonomi
Si definisce come sistema autonomo un insieme di host, router e reti fisiche controllate da una singola autorità amministrativa; si distinguono anche router interni (core) ad un sistema autonomo e router di frontiera (edge-border)
I router all’interno di un sistema autonomo possono essere configuarti liberamente per utilizzare qualsiasi meccanismo per scoprire, comunicare ad altri routerinterni e controllare la consistenza dei percorsi
Ogni sistema autonomo deve però affidare in modo specifico ad uno o più dei suoi router il compito di informare il mondo esterno della sua topologia
Lezione 6
Instradamento in InternetLe informazioni di instradamento riguardanti le strade all’interno di un sistema autonomo sono gestite in proprio per mezzo degli Interior GatewayProtocol (IGP)
Le informazioni di instradamento riguardanti strade che coinvolgono più di un sistema autonomo sono effettuate mediante gli Exterior Gateway Protocol(EGP)
La Internet Globale consiste di Sistemi Autonomi (AS) interconnessi l’uno con l’altro:
Transit AS: fornitori solo del servizio di connettività ad altri ASStub AS: piccole corporazioni (un solo link verso un solo transit AS)Multihomed AS: grandi corporazioni (più link verso diversi transit AS)
Instradamento su due livelli: Intra-AS: l’amministratore è responsabile per le scelte algoritmicheInter-AS: standard unico
Lezione 6
Instradamento in Internet
Inter-AS border router (exterior gateway)
Itra-AS interior router (gateway)
Lezione 6
Interior Gateway Protocol
Il modo in cui questi protocolli determinano le tabelle di instradamento può essere diverso, cioè basato sull’uso di diversi algoritmi, ognuno dei quali ha vantaggi e svantaggi
Gateway to Gateway Protocol (GGP)
Shortest Path First (SPF) e Open SPF (OSPF)
HELLO
Routing Information Protocol (RIP)
Interior Gateway Routing Protocol (IGRP)
Lezione 6
SPF (Shortest Path First)Il percorso migliore è determinato localmente mediante l’algoritmo di Dijkstra (secondo diversi criteri)
dal momento che la topologia cambia continuamente (per guasti edaggiunte od eliminazioni di link e di host) un continuo scambio di messaggi mantiene aggiornata la topologia memorizzata da ogni gateway
Il principale vantaggio di questo algoritmo è la velocità: al momento di determinare una strada l’algoritmo risponde immediatamente senzabisogno di interrogare altri gateway
Lo svantaggio principale è che per mantenere aggiornata la topologia di rete, è necessario un continuo scambio di messaggi.
Lezione 6
OSPF“Open”: disponibile in modo pubblico
Basato sull’algorotmo di Dijstra
L’OSPF Advertisement prevede una voce nella tabella esportata per tuttirouter vicini, che specifica la “distanza” da questi
Advertisements disseminati per l’intero AS (tramite flooding)
Include l’instradamento basato sul Service Type e quindi tiene conto delle richieste degli utenti in termini di prestazioni
Consente di bilanciare il carico in rete
Consente di dividere gerarchicamente un sistema autonomo
Le sue comunicazioni prevedono un’autenticazione per garantire la sicurezza
Lezione 6
OSPFSuddivisione gerarchica di un AS
Lezione 6
OSPF
Gerachia a due livelli: area locale, backbone.Link-state advertisements solo nell’area localeOgni nodo mantiene un topologia dell’area; conosce soltantodirezioni (cammino più corto) alle reti nelle altre aree.
Area border router: appartengono sia all’area specifica siaalla backbone.
Backbone router: OSPF routing limitato al backbone.
Boundary router: connessi ad altri AS.
Lezione 6
RIPAlgoritmo Distance Vector (Bellman-Ford)
È uno dei protocolli più usati, non perché abbia particolari vantaggi rispetto agli altri, ma perché è stato incluso nella Distribuzione BSD-UNIX nel 1982
Metrica delle Distanze: # di salti (max = 15 hop)massimo costo di un percorso fissato a 15aumenta artificialmente il numero di salti di un cammino attraverso reti lente
Distance Vector: messaggi scambiati ogni 30 secondi via ResponseMessage (chiamato anche Advertisement)
Ogni avviso include strade fino a 25 reti di destinazione
Se non pervengono avvisi dopo 180 sec => il link è dichiarato mortoLe strade per quel vicino sono invalidateNuovi avvisi inviati ai vicini
Lezione 6
RIP
Elaborazione delle Tabelle:Tabelle di Instradamento di RIP gestite da processi applicativichiamati route-d (d da daemon)Advertisements incapsulati in pacchetti UDP, ripetutiperiodicamente
Lezione 6
RIP
Router: giroflee.eurocom.fr
Destination Gateway Flags Ref Use Interface -------------------- -------------------- ----- ----- ------ ---------127.0.0.1 127.0.0.1 UH 0 26492 lo0 loopback192.168.2. 192.168.2.5192.168.2. 192.168.2.5 U 2 13 fa0 C193.55.114. 193.55.114.6193.55.114. 193.55.114.6 U 3 58503 le0 C192.168.3. 192.168.3.5192.168.3. 192.168.3.5 U 2 25 qaa0 C224.0.0.0 193.55.114.6 U 3 0 le0 multicastdefault 193.55.114.129 UG 0 143454 le0 (subnet 193.55.114)
Tre reti di classe C attaccate (LAN)
Router conosce solo strade attaccate alle LAN
Default router usato per uscire
Indirizzo multicast: 224.0.0.0
Interfaccia di Loopback (per il debugging)
Lezione 6
Exterior Gateway ProtocolsExterior Gateway Protocol (EGP): classe di protocolli che svolgono tre funzioni:1.individuazione dei gateway logicamente adiacenti con i quali scambiare le
informazioni di instradamento; i gateway delegati allo scambio di informazioni possono essere separati anche da altri gateway
2.verifica continua della funzionalità dei gateway interlocutori3.scambio periodico delle informazioni di instradamento, contenute in
appositi messaggi; queste riguardano la sola raggiungibilità delle reti, non la distanza
4. Il protocollo EGP
Non tiene conto di alcuna metrica di distanza, ma comunica solo il percorso da seguire (dal momento che non può verificare se un percorso conviene rispetto ad un altro ne comunica uno solo)
Lezione 6
BGP (Border Gateway Protocol)Standard de facto
è una evoluzione dell'EGP, poiché lo scambio di informazioni consente ai gateway di costruire il grafo di connettività dei sistemi autonomiL'informazione sulla raggiungibilità delle reti ha ovviamente maggior impatto nel caso in cui sia presente, lungo il percorso tra un sistema autonomo sorgente e uno di destinazione, un certo numero di altri sistemi autonomi con funzioni di transitoCiò consente al protocollo la scelta tra più instradamenti disponibili e la possibilità di effettuare la ri-distribuzione del traffico
Protocollo Path VectorPath Vector :Simile al protocollo Distance Vector Il protocollo effettua la verifica dello stato di un link o di un host inviando periodicamente messaggi di keepalive (il periodo raccomandato è di 30 sec.).Ogni Border Gateway invia in broadcast ai vicini (peers) l’intero cammino(cioè la sequenza di AS) verso le destinazioni
Il Gateway X può inviare il suo cammino verso la destinazione Z:
Path (X,Z) = X,Y1,Y2,Y3,…,Z
Lezione 6
BGP
Il gateway X invia il suo cammino al peer gateway W
W può selezionare o non selezionare il cammino offerto da Xcosto, criteri di policy (non inoltrare strade/traffico verso un AS concorrente), criteri di prevenzione dei cicli chiusiconsente di utilizzare opportune politiche di restrizione per il traffico in transito, stabilite dal gestore del sistema e codificate in tabelle di configurazione, che vengono poi passate al protocollo
Se W seleziona il cammino esportato da X, allora:
Path (W,Z) = w, Path (X,Z)
Nota: X può controllare il traffico entrante controllando le stradeesportate ai peer:
Per esempio, se non vuole inoltrare traffico a Z => non esporta alcuncammino verso Z
Lezione 6
BGP
Messaggi BGP sono scambiati attraverso connessioni TCP semipermanenti (eBGP tra diversi AS, iBGP nello stessoAS).
I messaggi BGP:OPEN: apre una connessione TCP verso il peer e autentica il mittenteUPDATE: esporta un nuovo cammino (o ne toglie uno presente)KEEPALIVE mantiene la connessione viva anche in assenza diaggiornamenti (messaggi di UPDATE); inoltre riscontra (ACK) le richiestedi OPEN NOTIFICATION: riporta gli errori nei precedenti messaggi; usato anche per chiudere le connessioniROUTE-REFRESH: aggiunto successivamente (RFC 2918), serve chiedereconferma di un percorso esportato in seguito a una variazione di politica diinstradamento. Rappresenta un’alternativa ai precedenti meccanismi dimantenimento dei percorsi
Lezione 6
ICMP (Internet Control Message Protocol)
Il protocollo IP è senza connessione e non affidabile
Se un gateway non riesce ad instradare o a consegnare un datagramma o se riscontra situazioni anomale (tra cui congestione di rete) deve poter notificare il mittente del datagramma affinché siano attuate opportune operazioni per correggere il problema
Possibili problemi possono essere:un dispositivo di rete non funziona correttamente o non funziona del tutto (incluse le linee di collegamento)l’host di destinazione è temporaneamente o permanentemente disconnesso dalla reteil contatore del Time to Live arriva a zeroi gateway o le linee intermedie sono talmente congestionate da non poter gestire il traffico in transito
Lezione 6
ICMPI messaggi di ICMP sono trasportati in rete per mezzo dei datagrammi, incapsulati nella parte dati del datagramma IP
ICMP può quindi essere considerato un sub-strato di IP (visto che serve a trasportare messaggi tra due entità IP) ma è funzionalmente al di sopra di IP (visto che i suoi messaggi governano il funzionamento di IP).
La funzione di ICMP è solo di notifica degli errori all’host di origine e non specifica le azioni che devono essere prese per rimediare agli errori ed ai malfunzionamenti
Sarà poi l’host di origine a porre in relazione il particolare errore con il relativo programma applicativo (ad esempio con un protocollo di instradamento, o con IP) ed a decidere cosa fare per correggere il problema
ICMP notifica eventuali errori solo al gateway o all’host che ha originato un datagramma e non a gateway od host intermedi lungo la strada attraversata dal datagramma stesso, perché ogni datagramma contiene solo l’indirizzo del mittente e quello della destinazione e quindi non è possibile, esaminando un datagramma, scoprire che strada ha percorso.
Lezione 6
ICMPLa procedura di gestione dei datagrammi prevede un’unica differenza tra i datagrammi che trasportano i messaggi ICMP e gli altri:
non vengono generati messaggi ICMP in seguito ad errori causati da datagrammi che trasportano messaggi ICMPciò serve ad evitare messaggi di errore relativi a messaggi di errore.
Ogni messaggio ICMP è in relazione ad uno specifico datagramma (e non potrebbe essere altrimenti visto che IP è un protocollo senza connessione)
Un messaggio ICMP contiene quindi anche un identificativo del particolare datagramma che ha generato l’errore o la situazione anomala
Lezione 6
ICMP
CONTENUTO DEI MESSAGGI ICMP:
type
code
i primi otto byte del datagramma IP che ha causato l’errore.
Type Code description0 0 echo reply (ping)3 0 dest. network unreachable3 1 dest host unreachable3 2 dest protocol unreachable3 3 dest port unreachable3 6 dest network unknown3 7 dest host unknown4 0 source quench (congestion
control - not used)8 0 echo request (ping)9 0 route advertisement10 0 router discovery11 0 TTL expired12 0 bad IP header
Lezione 6
Domain Name System
Il software implementato in Internet consente di utilizzare oltre alla notazione dotted anche un altro tipo di notazione (mnemonica):
“141.250.40.34”=“attila.diei.unipg.it”
E’ necessario che un opportuno software di rete traduca nomi in indirizzi e viceversa (il passaggio da notazione dotted a indirizzo di 32 bit è banale in quanto implica una semplice conversione decimale-binario)
Questa traduzione è attuata da un protocollo di alto livello implementato in un meccanismo noto come Domain NameSystem (DNS)
Lezione 6
Attribuzione dei nomi
L’insieme dei nomi è prima partizionato in un certo numero di sotto-insiemi dal Network Information Center (NIC); il compito di assegnare i nomi all’interno di un sotto-insieme è delegato ad un’autorità di livello inferiore e così via
Un nome è composto da una serie di sotto-nomi separati da un punto. Ogni punto separa un’autorità da quella che gli è gerarchicamente inferiore
attila.diei.unipg.itautorità gerarchicamente inferiore
Lezione 6
Attribuzione dei nomi
classificazione per tipologiaNome del dominio Tipo di organizzazione
COM CommercialiEDU Accademiche e didatticheGOV StataliMIL MilitariNET Centri di Gestione di Internet
ARPA ARPANET (obsoleto)INT Organizzazioni internazionali
ORG Altre organizzazioniFIRM Aziende, affari
STORE Merce in venditaWEB enfatizzante WWWARTS enfatizzante arte e culturaREC enfatizzante intrattenimento e
divertimentiINFO enfatizzante fornitori di
informazioneNOM enfatizzante nomenclature
personali
Lezione 6
Attribuzione dei nomi
classificazione geograficaNome
deldominio
USA IT DE FR UK JP etc.
nazione USA Italia Germ. Franc. G.Br. Giapp. etc.
Lezione 6
Attribuzione dei nomi
. Root Domain
usa
berkeley rutgers
... nasa netmil org edu
cany
gov
nsf
com
ibm dec
it
unipg
Lezione 6
DNS: local name server
Ogni host ha un local nameserver di riferimento (di cui conosce l’indirizzo numerico)
Solitamente, un local nameserver, è in grado di rispondere alle richieste relative ad indirizzi “vicini” a quello richiedente
Host richiedente
Localname server
(default)
1 query
2reply
UD
P Q
uery
UD
P R
eply
Lezione 6
DNS: root name serverSe il local name server non è ha conoscenza dell’indirizzo richiesto dall’host rivolge la domanda al root mane server.
Quest’ultimo può essere a conoscenza della corrispondenza tra indirizzo mnemonico e numerico; in caso contrario conosce l’authoritative name server a cui rivolgersi.
Host richiedente
1query
4reply
3reply
Localname server
Rootname server
2query
Lezione 6
DNS: authoritative name serverOgni host è registrato presso un authoritative name server. Questo è sempre in grado di risolvere la corrispondenza tra nome e indirizzo IP
In generale ci possono essere due o più name server tra il root e l’authoritative
Host richiedente
1query
6reply 5
replyLocal
name serverRoot
name server2
query3
query4
reply
Authoritativename server
Lezione 6
Esempio
Host richiedenteinfocom.uniroma1.it
Localname server
dns.uniroma1.it
2query
3query
7reply
name serverdns.ucla.edu
8reply
Rootname server
1query
6reply
4query
5reply
Authoritativename serverdns.dept.ucla.edu
comnet.ucla.edu=128.119.40.111
Lezione 6
Tipi di interazioni
L’interazione tra name server può essere di tipo ricorsivo:
di tipo iterativo (ad A viene dato l’indirizzo del server C che può soddisfare la richiesta):
AB
C
A
B
C
Lezione 6
Bilanciamento del carico
Il DNS viene anche usato per bilanciare il carico distribuendolosu server che replicano le stesse informazioni le varie richieste.
Esempio: Siti molto frequentati (es. cnn.com) sono replicati su più server web con indirizzi IP diversi.Un insieme di indirizzi IP è associato (nel DNS) allo stesso nome canonico. Quando un client chiede di risolvere il nome in indirizzo IP viene fornito l’insieme di indirizzi IP, ma in ordine differente ogni volta. Normalmente un client userà il primo indirizzo IP fornitogli.
Concetto di Content Distribution Networks:Il fenomeno del caching dei nomi sui sistemi intermedi può ridurre l’efficienza di uno schema (ad esempio a rotazione dei nomi) basato esclusivamente sul DNS
Lezione 6
Traduzione di indirizzi
Ogni calcolatore collegato ad una rete ha un indirizzo che lo contraddistingue nell’ambito di quella rete (ad. es. indirizzo Ethernet contenuto nella scheda fisica del calcolatore, numero telefonico, indirizzo X.25, etc.)
Internet necessita di protocolli che permettano di associare dinamicamente gli indirizzi degli host nell’ambito delle loro reti di appartenza ai relativi indirizzi IP
La funzionalità di un tale protocollo è legata unicamente alla rete a cui è collegato il calcolatore
Lezione 6
Traduzione di indirizzi
Il protocollo ARP (Address Resolution Protocol) permette di associare dinamicamente l'indirizzo fisico all'indirizzo IP e aggiorna contemporaneamente la tabella ARP contenente le corrispondenze già risolte
La tabella svolge la funzione di cache, cioè permette di ottenere rapidamente quelle informazioni che vengano richieste ripetutamente in brevi intervalli di tempo
Periodicamente le informazioni vengono cancellate in modo da garantire la consistenza con le mutate condizioni della topologia di rete
Lezione 6
Traduzione di indirizzi
Il protocollo RARP (Reverse Address Resolution Protocol) è utilizzato da calcolatori connessi in rete, e privi di sistemi di memorizzazione di massa, per determinare, durante la fase di inizializzazione, il proprio indirizzo IP a partire dall’indirizzo fisico della particolare interfaccia di rete
Il RARP server una volta ricevuta la richiesta risponde inviando l’indirizzo IP cercato
Lezione 6
Esempi
FTP
Comando utente:“ftp nic.switch.ch”DNS
l’indirizzo IP corrispondente è “130.59.1.40”
UDPrisolvi il nome “nic.switch.ch”
TCP
IPL’indirizzo 130.59.1.40
appartiene alla sotto-rete locale?
Si: instradamento diretto:invia il datagramma
a destinazione
No: instradamento indiretto:invia il datagramma al router di
defaultARP:richiedi l’indirizzo
MAC corrispondenteall’indirizzo IP
richiesta ARP: 130.59.1.40
risposta ARP: 00:12:c3:4b:3a:01Bus Ethernet
Lezione 6
User Datagram Protocol (UDP)Protocollo di trasporto “senza fronzoli”
Senza connessione:Nessuna procedura di handshaking tra il mittente ed il destinatarioOgni segmento UDP viene gestito in modo indipendente dagli altri
Offre soltanto il servizio di multiplazione agli applicativi
Perché è stato definito UDP?Nessuna instaurazione di connessione (che può aggiugere ritardo)Semplice: nessuno stato per le connessioni al mittente/ricevitorePiccola intestazione nei segmentiNessun controllo della congestione: UDP può trasmettere i dati senzacondizionamenti dalla rete
Lezione 6
UDP
Spesso usato per applicazionidi streaming multimediale:
Tolleranti alle perditeSensibili al ritmo trasmissivo
Altri usi di UDP:DNSSNMP
Trasferimento affidabile sopraUDP: l’affidabilità è aggiunta a livello applicativo
Recupero di errore specificodell’applicazione
32 bits
source port # dest port #
Dati dell’applicazione(messaggio)
length checksum
Lunghezza, inbyte del
segmento UDP,intestazione
inclusa
Formato del segmento UDP
Lezione 6
UDP
Checksum: rilevare gli “errori” nel segmento trasmesso
Lato mittente:Tratta il contenuto del segmento come una sequenza di interi di 16-bit Checksum: complemento a 1 del contenuto del segmentoIl mittente inserisce il valore della checksum nel campo checksum di UDP
Ricevitore:Calcola la checksum del segmento ricevutoControlla se il valore ottenuto è uguale a quello del campo checksum:
– NO => è stato rilevato un errore– SI => non sono stati rilevati errori. Tuttavia questo non implica che il
segmente ne sia esente …
Lezione 6
Transmission Control Protocol (TCP)
E’ un protocollo:con connessionecontrollo e recupero di errorecontrollo di flussori-ordinamento delle unità informativeindirizzamento di uno specifico utente all’interno di un host
Trasferisce un flusso informativo continuo e bi-direzionale ed effettua operazioni di multiplazione e de-multiplazione
Lezione 6
TCP
Un indirizzo IP identifica solo un host e non gli utenti o i processi attestati ad un host. Compito di TCP è quindi anche quello di distinguere tra i diversi programmi applicativi ed i diversi utenti che fanno uso di un host
L'indirizzo di un utente in TCP è denominato "port", mentre l'indirizzo completo in TCP/IP è denominato "socket" ed è costituito da:
port@IP_Address=port@Host_Id.Net_Id
Lezione 6
TCP
La componente "port" è contenuta nell'intestazione dell’unità dati di TCP, mentre la componente IP_Address è contenuta nell'intestazione dell’unità dati di IP
Questo significa che tutte le connessioni in atto tra due specifici host useranno lo stesso indirizzo IP di sorgente e lo stesso indirizzo IP di destinazione
Saranno perciò distinte solo a strato TCP. Ne segue che queste connessioni possono essere viste come multiplatesu un unico indirizzo IP ovvero su di un unico “canale” IP di comunicazione
Lezione 6
TCP
Essendo TCP un protocollo con connessione, saranno presenti le fasi di instaurazione, trasferimento dati ed abbattimento
TCP accetta dal livello superiore messaggi senza vincoli sulla loro lunghezza, li frammenta e li invia in datagrammidistinti
Intestazione TCP(contiene
l’indirizzo diport)
TCP Data
⇓ ⇓IP Data
⇓Intestazione IP
(contienel’indirizzo IP)
Lezione 6
Formato dell’unità dati (1/5)
Le unità-dati dello strato TCP sono dette segmenti
0 4 10 16 24Source Port Destination Port
Sequence NumberAcknowledgement Number
Offset Reserved Control WindowCheck sum Urgent Pointer
Options PaddingDataData...
31
Lezione 6
Formato dell’unità dati (2/5)
Source Port (16 bit): definisce l'indirizzo logico del processo sorgente dei dati.Destination Port (16 bit): definisce l'indirizzo logico del processo destinatario dei datiSequence Number (32 bit): numero di sequenza in trasmissione; contiene il numero di sequenza del primo byte di dati contenuti nel segmento a partire dall'inizio della sessione (se SN=m ed il segmento contiene n byte il prossimo SN sarà pari a m+n)Acknowledgement Number (32 bit): numero di sequenza in ricezione; nei segmenti in cui il bit ACK, presentato più avanti, è “settato” a uno, contiene il numero di sequenza del prossimo byte che il trasmettitore del segmento si aspetta di ricevere
– Nel caso di connessioni interattive bi-direzionali avviene il piggybackingdegli acknowledgement (nel senso che si utilizzano i segmenti di risposta contenenti dati di utente per inviare gli acknowledgement al trasmettitore senza dover inviare dei segmenti appositi)
Lezione 6
Formato dell’unità dati (3/5)
Offset (4 bit): contiene il numero di parole di 32 bit contenutenell'intestazione di TCP. L'intestazione di TCP non supera quindi i 60 byte ed inoltre è sempre costituito da un numero di bit multiplo di 32Reserved (6 bit): riservato per usi futuri, per ora contiene degli zeriWindow (16 bit): larghezza della finestra; contiene il numero di byte che, a cominciare dal numero contenuto nel campo Acknowledgement Number, il trasmettitore del segmento è in grado di ricevere. SI noti che il controllo di flusso è orientato al byteChecksum (16 bit): contiene la sequenza che permette al TCP ricevente diverificare la correttezza del segmento
Lezione 6
Formato dell’unità dati (4/5)
Control bit (6 bit): i bit di controllo sono:– URG: viene “settato” a uno quando il campo urgent pointer contiene un
valore significativo;
– ACK: viene “settato” a uno quando il campo Acknowledgement Numbercontiene un valore significativo;
– PSH: viene “settato” a uno quando l'applicazione esige che i dati forniti vengano trasmessi e consegnati all'applicazione ricevente prescindendo dal riempimento dei buffer allocati fra applicazione e TCP e viceversa (solitamente infatti è il riempimento dei suddetti buffer che scandisce la trasmissione e la consegna dei dati);
– RST: viene “settato” a uno quando un malfunzionamento impone il reset della connessione;
– SYN: viene “settato” a uno solo nel primo segmento inviato durante il 3-way handshaking (fase di sincronizzazione fra le entità TCP);
– FIN: viene “settato” a uno quando la sorgente ha esaurito i dati da trasmettere.
Lezione 6
Formato dell’unità dati (5/5)
Urgent Pointer (16 bit): contiene il numero di sequenza del byte che delimita superiormente i dati che devono essere consegnati urgentemente al processo ricevente. Tipicamente sono messaggi di controllo che esulano dalla comunicazione in senso stretto. A tale traffico ci si riferisce di solito con il nome di out-of-bandOptions (di lunghezza variabile): sono presenti solo raramente: le più note sono End of Option List, No-operation e Maximum Segment Size (più brevemente MSS). Padding (di lunghezza variabile): contiene sempre degli zeri. Serve come riempitivo aggiunto per far sì che l'intestazione abbia una lunghezza multipla di 32 bit
Si noti che le unità dati di TCP possono trasportare solo messaggi di controllo (ad. es. per instaurare o abbattere una connessione) o solo dati di utente o entrambi. TCP usa il campo Control per specificare la funzione ed il contenuto di un segmento
Lezione 6
Instaurazione e rilascio di una connessioneLe due entità TCP interagenti si sincronizzano scambiandosi il proprio numero di sequenza iniziale, che rappresenta il numero a partire dal quale tutti i byte trasmessi, una volta instaurata la connessione, saranno sequenzialmente numerati
il numero di sequenza in trasmissione non può iniziare da una dato valore fisso; ogni volta che si instaura una nuova connessione bisogna scegliere il numero di sequenza da cui partire in modo casuale mediante un’opportuna sincronizzazione, necessaria per risolvere potenziali situazioni anomale; IP non è affidabile e quindi i datagrammi possono andare persi, essere ritardati, duplicati o consegnati fuori sequenza.
TCP ri-trasmette i segmenti persi dopo un certo time-out
Possono nascere dei problemi se richieste originali e ri-trasmesse arrivano mentre una connessione sta per essere instaurata o se richieste ri-trasmesse sono ritardate ed arrivano dopo che una connessione è stata instaurata, usata o rilasciata, quindi può accadere che un segmento appartenente ad una “vecchia” connessione entri in un host dopo che tra gli stessi processi relativi a quel segmento sia stata instaurata una nuova connessione
Lezione 6
Instaurazione e rilascio di una connessione
Ogni host usa un clock (non sincronizzato con gli altri) che incrementa un contatore a passi di 4 ms
Quando si inizia una nuova connessione, il numero di sequenza intrasmissione è posto uguale a questo contatore (questa procedura equivale semplicemente alla generazione di un numero pseudo-casuale)
L’host destinatario risponde con un numero di sequenza in ricezione uguale a quello in trasmissione del mittente ed usa un numero di sequenza in trasmissione uguale al suo contatore
Infine il mittente conferma nel suo numero di sequenza in ricezione il numero di sequenza in trasmissione del destinatario e comincia a trasmettere
Il destinatario comincia a trasmettere solo dopo aver ricevuto quest’ultimo terzo segmento. Tale meccanismo è noto come three way handshake.
All’instaurazione della connessione, prima di cominciare a trasmettere di dati, vengono impostate le variabili del TCP sui due host remoti:
Memoria per i dati (buffer)Finestra in ricezione
Lezione 6
Instaurazione e rilascio di una connessioneCon il clock usato, il campo contenente il numero di sequenza (di 32 bit) impiega circa 4 ore (4 ms*232=4.7 ore) per compiere un ciclo completo (N(s) si sceglie in modo pseudo-casuale tra 0 e 4.294.967.295)
Poiché il contatore viene incrementato ad una velocità molto superiore a quella relativa al numero di sequenza di una qualsiasi connessione (almeno alle attuali velocità disponibili in rete), questo meccanismo risolve i problemi visti sopra
In tal modo è estremamente improbabileimprobabile che due datagrammi portino informazioni di controllo non coerenti (poiché, se erano relative a connessioni diverse, avranno dei numeri di sequenza abbastanza lontani tra loro e, in tal caso, uno dei due non sarà accettato)
Lezione 6
Instaurazione e rilascio di una connessione
ULP BULP B
TCP B
Passiveopen
Open Id
Opensuccess
ULP AULP A
TCP A
Open Id
Opensuccess
Activeopen
1) SYN_segment (SYN, ISN=x)
2) SYN_segment (SYN, ACK, Ack_N=x+1, ISN=y)
3) ACK_segment (ACK, Ack_N=y+1)
Connessione
ULP=Upper Layer Protocol
Lezione 6
Instaurazione e rilascio di una connessione
Chiusura di unaconnessione TCP => il Client chiude il socket locale;
Passo 1: il sistema terminaleClient invia il segmento dicontrollo FIN al Server
Passo 2: il Server riceve ilFIN, replica con l’ACK. Poi chiude la connessione ed invia il FIN.
client
FIN
server
ACK
ACK
FIN
ClosePasso 1
ClosePasso 2
closedti
med
wai
t
Lezione 6
Instaurazione e rilascio di una connessione
Passo 3: il Client riceve il FIN, replica con l’ACK.
Entra nello stato “timed wait” (30, 60 120 sec): risponderà con ACK ad eventuali FIN inviati dalserver per perdita dell’ACK
Passo 4: il Server ricevel’ACK. La connessione è chiusa.
Nota: con piccole modifiche, si possono gestire in modosimultaneo i FIN. closed
client server
FIN
ACK
tim
ed w
ait
ACK
FINclosing
Passo 3
closing
closed
Passo 4
Lezione 6
Instaurazione e rilascio di una connessioneSe una connessione non può essere chiusa secondo la procedura normale, a causa di situazioni anomale, o se un programma applicativo è forzato a chiudere immediatamente una connessione, TCP prevede una procedura di reset
Tale procedura consiste nell’inviare un segmento con il bit RST ”settato”. Alla ricezione di tale segmento la connessione è immediatamente terminata senza scambio di ulteriori messaggi e TCP ne informa i programmi applicativi
A volte è necessario inviare dei dati urgenti (denominati “out of band”) senza aspettare che l’entità ricevente finisca di elaborare i dati precedentemente trasmessi
Si fa notare che una rilevante quantità di dati potrebbe essere “in viaggio” verso l’entità ricevente, memorizzata nei gateway lungo il cammino della connessione e nella coda di entrata dell’host remoto. Ad esempio, quando TCP è usato per stabilire una sessione Telnet (emulazione di terminale), un utente potrebbe decidere di inviare un segnale di “interrupt” che termini l’applicazione remota
Lezione 6
Instaurazione e rilascio di una connessioneIl segnale di interrupt deve poter essere inviato senza aspettare che l’host remoto elabori tutti i dati già inviati, altrimenti un utente non sarebbe in grado di far cessare l’esecuzione di un programma al momento voluto
A tal fine TCP prevede l’invio di “dati urgenti” che hanno priorità su tutti gli altri dati già inviati e vengono trasmessi immediatamente al processo remoto
Quando i dati urgenti sono stati elaborati, il processo remoto riprende in esame i dati “normali”. Il meccanismo usato da TCP per inviare dati urgenti consiste nel ”settare” il bit URG del segmento e di inserire nel campo UrgentPointer il numero di sequenza del byte che delimita superiormente i dati che devono essere consegnati urgentemente al processo ricevente
Lezione 6
Controllo di errore
La strategia utilizzata per il recupero di errore è basata sull’uso di finestre in trasmissione ed in ricezione
TCP vede il flusso di dati in trasmissione come una sequenza di ottetti e quindi la finestra in trasmissione opera a livello di ottetto invece che a livello di trama o pacchetto
Gli ottetti sono numerati sequenzialmente a partire dal numero pseudo-casuale scelto durante il 3-way handshaking. La finestra in trasmissione specifica quindi il numero di ottetti che possono essere inviati senza ricevere un acknowledgement
Il mittente utilizza anche un meccanismo di time-out (TO); dopo avere inviato un segmento aspetta un certo tempo e, se non riceve una conferma, assume che il segmento si sia perso.
Lezione 6
Controllo di erroreLa determinazione del time-out in Internet è complessa:
Una connessione può attraversare una sola LAN ad alta velocità o seguire un percorso attraverso numerosi gateways attraversando reti telefoniche a bassa velocità in diversi continentiNormalmente tale tempo è scelto pari al round-trip delay (RTD) più il tempo necessario al destinatario per rispondere (il round trip delay è il tempo impiegato da un’unità dati per andare dal mittente al destinatario e tornare indietro). TCP misura dinamicamente il Round Trip Delay ed aggiorna il time-out di conseguenza
Una scelta errata porterebbe a molti inconvenienti. Ad esempio si considerino i seguenti eventi:
se la rete è congestionata, i ritardi aumentanoa causa di una scelta errata del time-out, alcuni segmenti vengono considerati persi, anche se in realtà non lo sono, e quindi ri-trasmessiciò aumenta la congestione che causa ancora ri-trasmissioni finché la portata tende a zero
Lezione 6
Generazione degli ACK del TCPDefinita dalle RFC 1122 e 2581
Evento
Arrivo dei segmenti in ordine, senza buchi.Ogni altra cosa già riscontrata
Arrivo dei segmenti in ordine, senza buchi.Un ACK ritardato pendente
Arrivo dei segmenti fuori ordinepiù alto dell’ISN attesoRilevato un buco nei dati
Arrivo di segmenti che parzialmenteo completamente riempiono il buco
Azione del TCP ricevente
ACK ritardato, aspetto fino a 500 msper l’arrivo del prossimo segmento (Silly Window Syndrome) - Se non arriva, invia l’ACK
Invia immediatamente un singolo ACKcumulativo
Invia ACK duplicati, indicando l’ISNdel prossimo byte atteso
Riscontra immediatamente se il segmentocominincia all’estremo inferiore del buco
Lezione 6
TCP: scenari di ritrasmissione
Host A Host BHost A
Seq=92, 8 bytes data
ACK=100
lossTim
e-ou
t
timescenario con ACK perso
Host B
X
Seq=92, 8 bytes data
ACK=100
Seq=100, 20 bytes data
ACK=100
Seq=
92 t
imeo
ut
time
Seq=92, 8 bytes data
ACK=120
Seq=92, 8 bytes data
Seq=
100
tim
e-ou
t
ACK=120
timeout prematuro, ACK cumulativi
Lezione 6
TCP Round Trip Delay e Timeout (1/2)
Come impostare il timeout del TCP ?
PiùPiù lungolungo del RTDdel RTDIl RTD può variare
Troppo corto: timeout prematuro:
Ritrasmissioni non necessarie
Troppo lungo: reazione lentaalla perdita di segmenti
Come stimare il RTD ?
Campionare il Round Trip Delay (sampleRTD): il tempo misuratodalla trasmissione di un segmento fino alla ricezionedell’ACK relativo:
Ignora le ritrasmissioni, i segmentisono riscontrati in modocumulativo
sampleRTD varierà, se ne vuolefare una stima “smussata”, “mediata”:
Usa parecchie misure recenti, non soltanto l’ultimo campione
Lezione 6
TCP Round Trip Delay e Timeout (2/2)Media mobile esponenziale pesata
L’influenza di ogni campione decresce in modo esponenziale
EstimatedRTDEstimatedRTD = (1= (1--x)*x)*EstimatedRTDEstimatedRTD + x*+ x*SampleRTDSampleRTD
Valore tipico di x pari a 0.1 o 0.125
Come impostare il timeout
EstimtedRTD + un certo “margine di sicurezza”
Una grande variazione nel EstimatedRTD implica un margine disicurezza più ampio:
Timeout = Timeout = EstimatedRTDEstimatedRTD + 4*Deviation+ 4*Deviation
Deviation = (1-x)*Deviation +x*|SampleRTD-EstimatedRTD|
Lezione 6
Controllo di flusso
Il controllo di flusso, in questo contesto, è una procedura tra la sorgente ed il destinatario delle informazioni intesa a limitare, in funzione delle risorse a disposizione, il flusso dei dati, prescindendo dal traffico presente nella rete
Tale meccanismo è indispensabile in Internet dove calcolatori di dimensione e velocità molto diverse comunicano tra loro; il più lento dei due deve poter rallentare l’emissione di informazione dell’altro
Il controllo della congestione ha invece lo scopo di recuperare situazioni di sovraccarico nella rete
Lezione 6
Controllo di flussoIl controllo di flusso nel protocollo TCP è implementato mediante un meccanismo a finestra di tipo sliding window orientata al byte, nel senso che la finestra rappresenta, istante per istante, il numero massimo di byte che possono essere trasmessi verso il destinatario
Lo schema è quindi basato sul campo Window (16 bit) in cui il destinatario scrive la larghezza (in byte) della finestra di trasmissione che il mittente dovrà usare dal quel momento in poi
La finestra comunicata dal ricevitore, Advertised window, rappresenta dunque anche la disponibilità di buffer in ricezione
Si noti che il ricevitore la può variare dinamicamente, informando il trasmettitore, avendo presente però che quest'ultimo la modificherà solo dopo aver ricevuto dati, corretti ed in sequenza, che abbiano "riempito" le finestre precedentemente offerte
Lezione 6
Controllo di flussoLa finestra comunicata dal ricevitore, Advertised window, rappresenta dunque anche la disponibilità di buffer in ricezione
Si noti che il ricevitore la può variare dinamicamente, informando il trasmettitore, avendo presente però che quest'ultimo la modificherà solo dopo aver ricevuto dati, corretti ed in sequenza, che abbiano "riempito" le finestre precedentemente offerte
Problema della finestra errata (Silly Window Syndrome): se lo spazio disponibile in ricezione diventa nullo, appena se ne libera una minima quantità il mittente viene avvertito:
Si può arrivare alla situazione limite in cui mittente e destinatario si autosincronizzano sulla trasmissione di un singolo byte di dati => overhead del 4000%. Per ridurre gli effetti negativi di questo fenomeno:
– Lato destinatario: quando arriva un segmento, si ritarda l’invio dell’ACK di massimo 500 ms (in questo modo si dà tempo al processo in ricezione di “pescare” dati dal buffer del TCP). Se nel frattempo un altro segmento corretto è arrivato, si riscontrano immediatamente in modo cumulativo. Si invia un ACK immediatamente se lo spazio disponibile è di almeno un MSS o del 50% del buffer in ricezione.
– Lato mittente (l’applicazione genera i dati lentamente, cioè segmenti più piccoli del MSS): se i dati precedenti sono stati trasmessi, ma la ricezione non è stata confermata, non inviare ulteriore segmenti fino all’arrivo di un ACK o alla creazione di un segmento di dimensione massima (MSS). Applica la regola anche con il “push”
Lezione 6
Controllo di flusso
Il mittente non manderà in overflow il buffer del
ricevitore trasmettendotroppo e troppo velocemente
Controllo di flusso Ricevitore: esplicitamenteinforma il mittente dellaquantità di memoria libera(che cambia in mododinamico)
RcvWindow field nelsegmento TCP
Mittente: mantiene la quantitàdi dati trasmessi e non ancora riscontrati, devonoessere in quantità inferioreal valore recentementericevuto nella RcvWindow
RcvBuffer = dimensione del buffer del ricevitore del TCP
RcvWindow = quantità di spazio libero nel buffer
receiver buffering
Lezione 6
Controllo di congestioneIl controllo della congestione ha lo scopo di recuperare situazioni di sovraccarico nella rete
Il meccanismo sliding window di TCP funziona da estremo ad estremo e quindi, in linea di principio, non può essere usato in modo efficiente per il controllo di congestione.
Tuttavia seppure in modo implicito, e con alcune limitazioni, lo schema slidingwindow di TCP può proteggere sia il destinatario che, in caso di congestione, la rete
Se la rete è congestionata arriveranno, per una data larghezza di finestra, meno riscontri
Ciò forza il destinatario ad emettere meno informazione
Inoltre siccome TCP effettua misurazioni sul round trip delay, il time-out sarà stimato in modo opportuno e si eviteranno ri-trasmissioni che porterebbero ad un aumento della congestione invece che ad una sua diminuzione
TCP può utilizzare il round trip delay come misura di congestione e quindi per decidere opportunamente la larghezza della finestra
Lezione 6
Controllo di congestioneSi considera lo scadere di un time-out come un sintomo di congestione delle risorse di interconnessione
Algoritmi implementati nelle versioni più comuni del TCP:Slow start +Congestion avoidanceFast restransmit + Fast recovery
“Testare” la rete per scoprire la larghezza di banda utilizzabile:idealmente: trasmettere il più veloce possibile (il valore di Congwin più grande possibile) senzaperditeincrementare Congwin fino a riscontrare le perdite (sintomo di congestione)perdita: decrementa Congwin, poi ricomincia a testare di nuovo la rete (incrementa Congwin)
Due “fasi” principalislow startcongestion avoidance
Variabili importanti:Congwin
threshold: definisce la soglia tra la fase di slow start phase e quella di congestion control
Lezione 6
Controllo di congestione
Ritmo di trasmissione limitato dalla dimensione della finestra dicongestione, CongwinCongwin, sui segmenti:
Congwin
w segmenti, ognuno con MSS byte inviati in un RTD:Problemi di efficienza nel caso di reti con elevato prodotto banda*ritardo
portata = w * MSSRTD Byte/sec
Lezione 6
Ritmo complessivo di trasmissione dati
Finestra di trasmissione risultante dai due processi di:Controllo di congestione (CongwinCongwin)Controllo di flusso (RcvWindowRcvWindow)
TrWindowTrWindow = min (= min (CongwinCongwin, , RcvWindowRcvWindow))
Lezione 6
TCP Slowstart
Host A Host B
inizializazzione: Congwin= 1for (ogni segmento riscontrato)
Congwin++until (evento di perdita) OR
(CongWin > threshold)
Algoritmo Slowstart 1 segmento
RTD
time
2 segmenti
4 segmenti
Incremento esponenziale (per ogni RTD) nella dimensione della finestra (partenzalenta ?)
Evento di perdita: timeout (Tahoe TCP) e/o 3 ACK duplicati (Reno TCP)
Lezione 6
TCP Congestion Avoidance
/* Lo slowstart è finito */ /* Congwin > threshold */Until (evento di perdita) {ogni ww segmenti riscontrati:Congwin++
}threshold = Congwin/2Congwin = 1Effettua lo slowstart
Congestion avoidance
1
Il TCP Reno evita lo slowstart (procedura di fast recovery) dopo 3 ACK duplicati: procedura di fast retransmit => innesca la ritrasmissione senza aspettare il timeout
Lezione 6
TCP FairnessAIMD: additive increase, multiplicative decrease
Incrementa la finestra di 1 per ogni RTDDecrementa la finestra di un fattore 2 per ogni evento di perdita
Se N TCP sessioni condividono lo stesso collegamento“bottleneck”, ognuna dovrebbe ottenere 1/N della capacitàdel collegamento
Bottleneck routerdi capacità R
Connessione TCP 1
Connessione TCP 2
Lezione 6
TCP è equo ?
Esempio di due sessioni in competizione per la banda su un link:
Additive increase fornisce una pendenza di 1, quando la portata cresce
Multiplicative decrease decrementa la portata in modo proporzionale
R
R
Uguale divisione della banda
Portata Connessione 1
Port
ata
Conn
essi
one
2
congestion avoidance: incremento additivoperdita: decrementa la finestra di un fattore 2
congestion avoidance: incremento additivoperdita: decrementa la finestra di un fattore 2
Lezione 6
Punti a favore di Internet
Esiste e cresce:40 milioni di utenti su 5 milioni di hosts su 50000 sotto-reti interconnesse in 86 paesi; il numero di utenti raddoppia ogni anno e il numero di server WWW raddoppia ogni 2 mesi (Ottobre 1995)
IP è senza connessione:deve “solo” inoltrare i datagrammi, non effettua controllo di errore e di flusso (e quindi opera facilmente sopra diverse tipologie di sotto-rete)non deve mantenere informazioni sullo stato delle connessioni (robustezza ai guasti)semplicità del codice (in una rete con connessione, circa il 90% del codice serve a trattare condizioni di errore)scalabilità (IP “gira” facilmente attorno a sistemi guasti)facilità di riconfigurazione e di aggiunta/eliminazione di host e sotto-reti (soft local states vs. hard global states)disponibilità di applicazioni (client/server) (gratuite)
Lezione 6
Limiti attuali di Internet
Limiti di portata (commutazione “software”)
Assenza di garanzia sulla Qualità di Servizio (IPv6 introduce il concetto di flussi) (RSVP)
Altre problematiche:Esaurimento dello spazio degli indirizzi, assenza di gerarchie di indirizzi (superato da IPv6: indirizzi di 128 bits contro i 32 di IPv4 -> 665*10^21 per metro quadro del pianeta) (auto-configurazione)Confidenzialità e autenticazione (superato da IPv6 o con protocolli da estremo a estremo)