3 Interligação de redes (Camada de rede)

Transcrição

1 3 Interligação de redes 3 Interligação de redes (Camada de rede) 1/53

2 3.1 Conceitos 3.1 Conceitos de interligação de redes Internetworking 2/53

3 Introdução Objectivos da interligação de redes através do protocolo IP (IP Internet Protocol) Efectuar a interligação de redes utilizando um único protocolo, operando ao nível 3 OSI Todas as aplicações e protocolos superiores serão suportados pelo IP Criar um espaço de endereçamento global Universalidade no endereçamento Escalável Endereçamento hierárquico Simplicidade Providencia serviço de rede datagrama não orientado à ligação (Best effort datagrams) Independente da aplicação Funcionamento Extremo a Extremo As tarefas mais complexas (controlo de fluxo, congestão fiabilidade, orientação à ligação, etc.) são deixadas para o nível 4 OSI (TCP ou UDP) ( Saltzer J., End to End arguments in system design ACM Transactions on Computer Systems) 3/53

4 Introdução Modelo de interligação de redes IP Modelo de interligação IP TCP -> Funcionamento extremo a extremo Implementado nos utilizadores (end systems) e nós de rede 4/53

5 Introdução Funções básicas da camada de rede Objectivos Encaminhar pacotes ao longo da rede ( Os Protocolos de rede são implementados em cada router e computador) Funções Determinação do caminho Qual a rota percorrida pelos pacotes da origem para o destino? - Algoritmos de encaminhamento Expedição (forwarding) Funções básicas da camada de rede Transferir os pacotes da entrada do router para a saída apropriada, o mais rápido possível 5/53

6 Introdução Modelo de serviço de rede da Internet Modelo datagrama (não orientado à ligação) Não há conceito de ligação ao nível de rede Pacotes encaminhados usando endereço de destino Best effort service Hop by Hop routing. Cada router recebe o pacote, analisa o endereço de destino e entrega-o ao próximo router Os routers não sabem o estado das ligações extremo a extremo 6/53

7 3.2 Protocolo IP 3.2 IP (Internet Protocol) 7/53

8 Protocolo IP Endereçamento Endereço IP Identificador de 32 bits Utilizado em sistemas terminais e interfaces de routers Interface Routers têm múltiplas interfaces Os sistemas terminais podem ter múltiplas interfaces Os endereços IP estão associados às interfaces e não aos sistemas terminais ou aos routers 8/53

9 Protocolo IP Notação Notação - Dotted Decimal Divisão do endereço em 4 grupos de 8 bits Conversão binário-decimal de cada grupo de 8 bits Cada grupo de 8 bits no formato decimal separado por. => Conversão binário-decimal (Soma dos pesos dos bit s a 1) 9/53

10 Protocolo IP Rede e Host Separação Rede-Host Conceito de rede Internet -> Interligação de redes Cada interface de 1 router corresponde a uma rede IP ( Endereço do Cabo ) Numa rede existem 1 ou vários Hosts Permite que a comunicação entre Hosts pertencentes à mesma rede se efectue sem a intervenção do router. Identificador da rede Bits mais significativos do endereço IP Identificador do Host Bits menos significativos do endereço IP Rede de computadores constituída por 3 redes IP, cujos endereços começam em 223.-> Os primeiros 24 bits identificam a rede os últimos 8 bits identificam o Host na rede 10/53

11 3.2.1 Clssfull addressing Endereçamento por classes (Classfull) 11/53

12 Endereçamento IP Endereçamento Classfull Classes de endereços (Endereços classfull ou por classes) Regra do 1º Octeto para determinação da classe Network Boundary Exemplo p/ classe A MSB fixo a 0. 8 bits para rede 24 bits Host De a > Reservado para default routes > Reservado para loopback Gamas válidas: 1 a 126 Classe B MSB s fixo a bits para rede 16 bits Host Gamas: 128 a 191 Classe C MSB s fixo a bits para rede 8 bits Host Gamas: 192 a 223 Classe D (MultiCast) Gamas: Reservada p/ experiência 12/53

13 Endereçamento IP Interligação de duas redes de classes diferentes Classe B Classe A Atenção! As tabelas de routing contêm automaticamente as redes directamente ligadas 13/53

14 Endereçamento IP Endereços especiais reservados Endereço da rede Broadcast Direccionado (Todos os hosts na subrede) (RFC 1812 Requirements for IPV4 Routers) Broadcast local (Só tem efeito na LAN) (RFC 1812 Requirements for IPV4 Routers) default route Identifica o host em determinada rede (subnet zero) (RFC 791 DARPA IP Protocol Specification) Rede SubRede Tudo 1s Tudo a 1 s na subrede e Host Broadcast todos os Host em todas as subnets Broadcast directo mais abrangente Loopback 14/53

15 Endereçamento IP Nº Hosts e redes por classe Número de Hosts e redes por classe de endereçamento Classe A Nº de redes (0xxxxxx) = 7 bits, menos a rede 0 e 127 = ( 2 ^7) 2 = 126 redes Nº de Hosts 24 bits, menos o 1º endereço tudo a zeros que identifica a rede e o último endereço tudo a 1 s que é o endereço broadcast = ( 2 ^24) 2 = hosts. Classe B Nº de redes (10xxxxxx.xxxxxxxx) = 14 bits = ( 2 ^14) = redes Nº de Hosts 16 bits, excepto o 1º e último endereço = ( 2 ^16) 2 = hosts Classe C Reservadas (110xxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx) = 21 bits rede = ( 2 ^21) = ( 2 ^8) 2 = bits Host, excepto o 1º e último endereço = hosts. redes 15/53

16 Endereçamento IP Entidades reguladoras Entidades que controlam a distribuição dos endereços IP A nível mundial: INTERNIC (Internet information center) A nível regional: Europa RIPE (Réseaux IP Européens) EUA ARIN (American Registry for Internet Numbers) ASIA APNIC (Asia Pacific Network Information Center) A nível local: ISP s -> Obtêm blocos de endereços das autoridades regionais (RIPE, etc.) Organizações locais -> Obtém endereçamento (redes) dos ISP s Grandes Organizações -> Podem obter endereços das autoridades regionais (RIPE, etc) 16/53

17 Endereçamento IP Endereçameto privado Endereçamento privado Endereços a ser utilizados em intranets Cada utilizador pode atribuir as redes que quiser São especificados no RFC 1918 Private address space Gamas de endereçamento privado (RFC 1918) Classe A Classe B Classe C Estas gamas de endereçamento não são encaminháveis na internet 17/53

18 Endereçamento IP Subnetting É utilizada para aumentar a flexibilidade no endereçamento Permite a introdução de outro nível hierárquico de endereçamento As classes B s reservam 16 milhões de hosts, mesmo que só existam 2000 Permite a alteração do número de redes e hosts, alterando o nº de bits utilizados para a subnet e para os Hosts Vai emprestar alguns bits da porção do host para identificar a rede. Necessita de máscara de rede, de modo a identificar a rede (subnet) no endereço IP Operação lógica AND entre Máscara e Endereço = Rede 18/53

19 Endereçamento IP Subnetting Exemplo: Subnetting Necessito de 250 redes, cada uma com máximo de 254 hosts -> Atribuição de 250 redes classe C? (Já esgotadas) -> Atribuição de 1 rede classe B (Ex: Rede ) Posso subdividir a rede entre e Dividi uma classe B em 250 subredes Por cada subrede x.0 posso atribuir 254 endereços Obtenho 254 hosts por cada subrede A rede é denominada Major Network As redes x.0 são denominadas subnets 19/53

20 Endereçamento IP Máscara de rede Mascara de rede É utilizada para identificar a rede, no endereço IP de 32 bits Mascara para classe B Os dispositivos de rede e hosts, determinam a rede, (contida no endereço IP) efectuando a operação AND entre o IP e a Máscara de rede 20/53

21 Endereçamento IP Máscara de rede Dada a rede (Classe B) qual a máscara para 250 redes e 250 hosts por rede? Necessito 8 bits para rede e 8 bits para hosts A B AND x x.0 = Máscara estendida Ex: Host A envia dados para B: > Host A necessita saber qual a rede de destino: Efetua IP AND Máscara de rede O resultado é a rede : : Está na mesma subrede. Não envia para o router. Os routers fazem a mesma operação ao receberem pacotes para determinar o interface de saída onde se localiza a rede de destino 21/53

22 Endereçamento IP Máscara de rede Operação AND para obtenção da subrede AND IP Máscara = SUBREDE O número da rede é estendido por 8 bits Notação: /24 -> Em que /24 indica o comprimento em bits da máscara de rede 22/53

23 3.2.2 CIDR e VLSMs CIDR (Classless InterDomain Routing) e VLSM s 23/53

24 Endereçamento IP CIDR e VLSM s (Mascaras de comprimento variável) Surgiu para permitir total flexibilidade no número de redes e hosts para qualquer endereço IP VLSM A parte do endereço que identifica a rede tem um tamanho arbitrário (No endereçamento classfull apenas eram permitidos múltiplos de 8 bits) O formato do endereço é: a.b.c.d/x em que x representa o nº de bits identificadores da rede x é denominado prefixo de rede. A rede e respectiva máscara seria: /53

25 Endereçamento IP CIDR e VLSM s (Mascaras de comprimento variável) Admitamos a subnet /24, da rede / Rede Host Rede Host Subnets da rede VLSM: /26 1ª subnet: / ª subnet: / ª subnet: / ª subnet: / Fico com 8 bits da parte do Hosts para subdividir em mais subredes Roubando 2 bits ao Host, fico com várias subredes dentro da subrede /24 = Várias /26 Nº subredes adicionais: 2 n = 2 2 = 4 (*) Ver Nota no slide seguinte Nº Hosts por cada subrede: n = 2 2 = 62 O 1º Host é reservado para endereço da subnet O último Host é reservado para endereço broadcast 25/53

26 Endereçamento IP CIDR e VLSM s (Mascaras de comprimento variável) Notas adicionais Inicialmente não era aconselhada a utilização da subnet zero ou um, ou seja todos os endereços que contenham tudo a zeros ou tudo a uns, na porção que identifica a subnet (Ver RFC 1009) A fórmula de cálculo para o nº de subnets e hosts era dada por: Nº Subnets = 2 n 2 (as 2 subnets subraídas são as que contêm tudo zero ou um na sua porção de endereço IP) Isto justificava-se pelo facto de os protocolos de encaminhamento IP funcionarem por classes não contendo informação sobre a máscara de rede. Deste modo, para os endereços pertencentes à major network /16 e à sua subnet /24 (zero) não é possível distinguir entre os brodcasts para todas as subnets ( /16) e os broadcasts para a sub-net que é identificada com todos os bits a um ( /24) Os protocolos actualmente não funcionam por classes, contendo sempre informação sobre a máscara de rede, eliminando o problema anterior. ( Ver RFC 1812 e 1878 para mais detalhes ) Ao longo dos próximos capítulos, se nada for dito em contrário, será assumida a nova versão de cálculo do nº de redes utilizando VLSM s (Protocolos ignoram a classe e contêm a máscara) Nº Subnets = 2 n 26/53

27 Endereçamento IP VLSMs Exemplo de aplicação Foi atribuído ao departamento de radiotecnia da escola, o seguinte bloco de endereçamento: /21 Utilizando VLSM s atribua o endereçamento conveniente às redes da figura: Rede 3 (LAN) 25 utilizadores Rede 6 (Série PTP) Rede 1 (LAN) 145 utilizadores Rede 4 (LAN) 18 utilizadores Rede 7 (Série PTP) Rede 5 (LAN) 30 utilizadores Rede 8 (Série PTP) Rede 2 (LAN) 251 utilizadores 27/53

28 Endereçamento IP VLSMs Exemplo de aplicação Resposta: Tenho 2 redes com 145 e 251 utilizadores: A potência de 2 mais próxima é 8 (2 8-2=254) - Necessito de duas subredes (rede 1 e 2) com 8 bits para Hosts = /24. Tenho 3 redes com 25, 28 e 30 utilizadores: A potência de 2 mais próxima é 5 (2 5-2=30) - Necessito de três subredes (rede 3,4 e5 ) com 5 bits para Hosts = /27. Tenho 3 redes ponto a ponto (2 endereços) A potência 2 mais próxima é 2 (2 2-2=2) - Necessito de três subredes (rede 6,7,8 ) com 2 bits para Hosts = /30. 1ª Iteração: Atribuir 2 blocos contíguos /24 à rede 1 e 2. (1ª e 2ª Subnet) 2ª Iteração: Dividir o 3º bloco /24 em 6 subnets / 27, e atribuir 3 contíguas às redes 2,4 e 5 3ª Iteração: Dividir o 6º bloco /24 em 6 subnets / 30, e atribui-los às redes 6,7 e 8 Permite margem de crescimento para mais redes remotas 28/53

29 Endereçamento IP VLSMs Exemplo de aplicação Resposta: Para conseguir 8 bits para hosts aumento a máscara para /24 (Roubo 3 bits ao Host = 23-2=6) Com /21 obtenho 8 subredes / Subrede Gamas utilizáveis /24 a /24 /21 /24 8 bit Atribuir as subredes /24 e /24 às LAN s 1 e 2 respectivamente 29/53

30 Endereçamento IP VLSMs Exemplo de aplicação Resposta: Com /24 obtenho 8 subredes /27 (Roubo 3 bits ao Host = 2 3-2=6) Subrede Subredes: /27 a /27 /24 /27 Atribuir as subredes /27, /27 e /27 Às LAN s 3, 4 e 5 respectivamente -> Sobram as 96, 128, /53

31 Endereçamento IP VLSMs Exemplo de aplicação Resposta: Para permitir margem de crescimento dos sites remotos utilizo a mais alta /27 livre para n=30 Com /27 obtenho 8 subredes /30 (Roubo 3 bits ao Host = 2 3-2=6) Subrede Gamas utilizáveis /30 a /30 /27 /30 Atribuir as subredes /30, /30 e /30 Aos interfaces PTP -> redes 6, 7 e 8 respectivamente 31/53

32 Endereçamento IP Sumarização Sumarização A sumarização consiste no agrupamento de blocos de endereços de modo a reduzir as tabelas de routing dos routers Apenas anuncia o bloco /22 Quatro redes /24 S1 E1 S1 S2 Tabela Routing D /22 S1 Rede Interface /24 E / / /24 E1 S1 S2 Tabela Routing E Rede Interface 32/53

33 Endereçamento IP Sumarização A sumarização é calculada com base no nº de bits comuns a todos os blocos de endereços Entre e existem 22 bits em comum. A sumarização é feita em /22 33/53

34 Protocolo IP Formato datagrama IP 4 bit Formato datagrama IP 8 bit 16 bit Header de (4x5) 20 bytes excluindo campo opções Opções: Pode ir até 40 bytes 34/53

35 3.2.3 Fragmentação Fragmentação e reassemblagem dos pacotes IP 35/53

36 Protocolo IP Fragmentação e reassemblagem Fragmentação IP Pode trabalhar sobre diversos meios físicos Cada rede impõe diferentes tamanhos máx. de pacotes denominado MTU (Maximum Transfer Unit) MTU = Header IP + Payload IP Valores típicos de MTU por interface Ethernet: 1500 bytes FDDI: 4464 bytes X.25 e SLIP:576 bytes Os datagramas IP com tamanho superior ao MTU do interface são fragmentados na rede Um datagrama transforma-se em vários datagramas São reassemblados no destino final Por cada fragmento de um pacote original é adicionado novo Header: Problemas Overhead + processamento adicional ATENÇÃO 36/53

37 Protocolo IP Fragmentação e reassemblagem Identificação dos fragmentos relacionados É efectuada através de campos no cabeçalho IP 13 bits: Posição do fragmento no pacote Identificador do pacote: Igual para todos os fragmentos do mesmo pacote 3 bits: 1º não usado 2º bit: DF bit. Se a 1 indica que o pacote não deve ser fragmentado: Cada pacote que chegue a um router, com DF = 1 e maior que o MTU é descartado. 3º bit: MF bit. (More Fragment). Indica ao destino se existem mais fragmentos do mesmo pacote. Caso 1, há mais fragmentos. Caso 0 é o último fragmento 37/53

38 Protocolo IP Fragmentação e reassemblagem Calculo da fragmentação de um pacote Campo Fragment Offset só tem 13 bits: dá um valor para contagem máximo de 2 13 = 8192 Este valor é multiplicado por 8 -> 8192*8 = bytes -> máximo que é possível fragmentar Problema: O comprimento máximo dos dados num fragmento tem que ser múltiplo inteiro de 8 excepto para o último fragmento Implica: O Payload de todos pacotes (fragmentos) cujo bit M=1 tem que ser divisível por 8 Cálculo do offset: - Posição relativa do fragmento relativamente ao pacote original Offset = Soma de todos os payloads dos pacotes anteriores fragmentados Ou seja: O meu Payload somado ao Fragment Offset = Tamanho total to pacote até aqui. 38/53

39 Protocolo IP Fragmentação e reassemblagem Exemplo: Para um pacote de dados IP com 1504 bytes incluindo cabeçalho, ser enviado através de uma ligação X.25 com MTU = 576, qual o comprimento L, ID, M bit e valores de offset para cada fragmento? ID = K L=1504 M=0 Offset = 0bytes Pacote original MTU=576 MTU=576 MTU=576 Header Payload Header Payload ID=K L=572 M=1 Off = ID=K L=572 M=1 Off =69 Header Payload ID=K L=400 M=0 Off =138 Payload: = = não é múltiplo de 8. O múltiplo de 8 mais próximo é 552 M=1 -> Não é o último fragmento Offset = 0: Não há fragmentos anteriores Payload: = Igual ao anterior (Máximo do pacote) M=1 -> Não é o último fragmento Offset = 69*8 = 552: A soma dos payloads anteriores é 552 Payload: = Cabe o restante do pacote (380 bytes) M=0 -> É o último fragmento Offset = 138*8 = 1104: A soma dos payloads anteriores é /53

40 3.2.4 ARP ARP (Address Resolution Protocol) 40/53

41 Protocolo IP ARP Address resolution Protocol ARP Numa rede local (LAN) é necessário conhecer o endereço MAC de destino /24 Quero enviar p/ Qual o MAC Address? / / / /24 Rede /24 Rede /24 Características Protocolo request / reply peer to peer Request é enviado em tramas MAC Broadcast. Reply enviado em tramas MAC Unicast Os Hosts e Routers numa rede IP mantêm uma tabela que mapeia endereços IP a endereços MAC chamada Arp Cache 41/53

42 Protocolo IP ARP Address resolution Protocol / /24 Construção das tabelas ARP (Arp Cache) 1 Request Reply Rede / / / /24 Rede /24 1 A envia dados para o router. Apenas conhece o endereço IP. Envia uma mensagem ARP Request (Broadcast a nível MAC) 2 Router responde com ARP Reply Para o endereço MAC Unicast originador A resposta contêm o seu endereço MAC Tabela ARP Host A IP Hardware Address c c Timeout 240 s 240 s Após Timout são automaticamente apagados da cache. Comando para ver tabelas ARP Windows: arp -a 42/53

43 Protocolo IP ARP Address resolution Protocol Formato da trama Formato mensagem HARDWARE TYPE - Identificação da rede física (Ethernet = 1) PROTOCOL TYPE - Identificação do protocolo de nível rede (IP = 0x8000) HLEN - Dimensão dos endereços da rede física (Ethernet = 6) PLEN - Dimensão dos endereços do protocolo de encaminhamento (IP = 4) OPERATION - Tipo da trama (ARP Rq, ARP Rpl, RARP Rq, RARP Rpl) SENDER HA - Endereço físico de origem SENDER IP - Endereço de origem do protocolo de encaminhamento TARGET HA - Endereço físico de destino TARGET IP - Endereço de destino do protocolo de encaminhamento 43/53

44 Protocolo IP ARP Address resolution Protocol Exemplo operação ARP Request Exemplos Operação Trama Ethernet ( Nível MAC) Começa Aqui Não sabe o MAC destino Envia BROADCAST Mensagem ARP Começa Aqui Opcode = 1 (Request) MAC Origem Não sabe qual o MAC de destino (Request) IP de destino ao qual necessita saber o MAC 44/53

45 Protocolo IP ARP Address resolution Protocol Exemplo operação Trama Ethernet ( Nível MAC) Começa Aqui Na resposta é UNICAST Sabe o MAC de Origem do pedido Mensagem ARP Começa Aqui Opcode = 2 (Reply) Este é o MAC pedido 45/53

46 3.2.5 ICMP ICMP (Internet Control Message Protocol) 46/53

47 Protocolo IP ICMP Internet Control Message Protocol Utilizado pelos Hosts e Routers para transferir informação de controlo a nível de rede Reporte de erros Endereço, porto, protocolo não atingível Teste de conectividade IP Pedido / resposta de eco (comando PING) Mensagens ICMP são transportadas em datagramas IP ICMP Tipo de mensagem Código da mensagem 47/53

48 Protocolo IP ICMP Internet Control Message Protocol Formato mensagem Formato mensagem echo request / reply -> Utilizadas pelo comando ping Identifier: Distingue entre aplicações na mesma máquina (Ex: diferentes echo servers) Seq. Number: Distinção entre mensagens da mesma aplicação (Ex: Request / Reply) Nota: Ver exemplo pág 591 Livro - Echo Request / Reply com o EtherReal 48/53

49 Protocolo IP ICMP Internet Control Message Protocol Exemplo operação ICMP echo Request Nº Sequência identifica o pedido 49/53

50 Protocolo IP ICMP Internet Control Message Protocol Exemplo operação ICMP echo Reply Nº Sequência relaciona a resposta com o pedido 50/53

51 Resumo 3 Interligação de redes (Camada de rede) Introdução Protocolo IP Formato do endereço Notação Endereçamento por classes (Classfull) Subredes Endereços Especiais e reservados Entidades reguladoras CIDR e VLSM s Operação e funcionamento Sumarização Cálculo de VLSM s Datagrama IP Formato Fragmentação ARP ICMP Conceitos Exemplos de Operação Conceitos Exemplos de Operação 51/53

52 Referências Leon Garcia Communication Networks,, Cap. VI Kurose and Ross Computer Networking - A top down approach featuring the internet (Cap IV Network Layer) Dehaven, Jennifer Routing TCP/IP Vol I - Cisco Systems CCIE Professional Development (Cap I) Zinin Cisco IP Routing Packet Forwarding and Intra-Domain Routing Protocols (Cap I) Comer, Douglas Internetworking With TCP/IP, principles protocols and architectures (Cap. III, IV, V, IX e X) Tanembaum Computer Networks 4rd Edition (Cap. V Network Layer) RFC 791 IP Internet DARPA Internet Program Specification, University South California 1981 RFC 1009 Requirements for internet gateways. J. Postel ISI 1987 RFC 1518 An Architecture for IP Address Allocation with CIDR. Y. Rekhter IBM 1993 RFC 1519 CIDR an Address Assignment and Aggregation Strategy. V. Fuller Barret 1993 RFC 2050 INTERNET REGISTRY IP ALLOCATION GUIDELINES. K. Hubbard Internic 1996 RFC 1631 The IP Network Address Translator.. K. Egevang Cray Communications 1994 RFC1812 Requirements for IPV4 Routers.. F. Backer Cisco Systems 1995 RFC1878 Variable Length Subnet Table For IPv4.. T. Pummil ISI 1995 RFC1918 Address Allocation for private Internets.. Y. Rekhter Cisco Systems /53

53 FIM 53/53