Arquitetura TCP/IP. Parte III Endereçamento IP e roteamento. Fabrízzio Alphonsus A. M. N. Soares

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1 Arquitetura TCP/IP Parte III Endereçamento IP e roteamento Fabrízzio Alphonsus A. M. N. Soares

2 Tópicos Formato do endereço Classes de endereços Endereços especiais Sub-rede e máscara VLSM (Variable Length Subnet Mask) CIDR (Classless Inter-Domain Routing) Roteamento

3 Endereço IP Função semelhante ao endereço de hardware, ou seja, identificar uma interface de comunicação Cada interface de comunicação ligada a Internet (pública) contém um endereço IP unicast (de um destino) único É usado pelas aplicações distribuídas É um valor binário de 32 bits (versão 4) Valores foram agrupados para tornar o roteamento eficiente

4 Formato do endereço IP Endereço dividido em duas partes: Prefixo de rede (network ID) identifica a rede a qual o host se conecta Um prefixo de rede atende uma rede física (proposta original do endereçamento IP) Sufixo de host (host ID) identifica o host naquela rede Prefixo de rede Sufixo de host

5 Propriedades necessárias do endereçamento IP Compacto (menor representação possível) Universal (endereços suficientes para todos) Implementado em software, logo pode ser associado a qualquer hardware Permite tomar decisões eficientemente: Verificar se o destino pode ser alcançado diretamente (host e roteador) Decidir qual roteador usar para entrega indireta (host) Escolher qual o próximo roteador ao longo do caminho para o destino (roteador)

6 Endereços IP com classe Esquema original de endereçamento IP Explica muitas decisões de projeto Novos esquemas mantém compatibilidade retroativa

7 Prefixo e Sufixo: qual o tamanho? Prefixo grande: muitas redes, porém pequenas Prefixo de rede Sufixo de host Prefixo pequeno: poucas redes, porém grandes Prefixo de rede Sufixo de host Solução: acomodar (ou pelo menos tentar) ambas as possibilidades, criando classes de endereços

8 Classes de endereços IP Classe A 0 Net ID Host ID até B 10 Net ID Host ID até C 110 Net ID Host ID até D 1110 Endereço Multicast até E 1111 Reservado até o byte 2.o byte 3.o byte 4.o byte

9 Classes de endereços IP (cont.) Uma classe (tamanho de prefixo e sufixo) pode ser encontrada de forma eficiente Início 1.o bit o bit 3.o bit 4.o bit Classe E Classe A Classe B Classe C Classe D

10 Propriedades importantes Endereços com classe são auto-identificados, logo: É possível determinar a fronteira entre prefixo e sufixo a partir apenas do endereço IP, portanto: Não é necessário guardar informação adicional sobre o tamanho do prefixo (e do sufixo) Beneficia tanto hosts quanto roteadores Endereço IP identifica uma conexão à rede (ou seja, uma interface de comunicação) e não um equipamento Ex.: um roteador participa em pelo menos duas redes, logo tem pelo menos duas interfaces de comunicação e, portanto, tem pelo menos dois endereços IP

11 Notação Decimal com pontos O endereço é descrito byte-a-byte em notação decimal, separando com pontos: w.x.y.z Facilita a leitura (e memorização) Amplamente adotada na Internet e na literatura associada Exemplo: Notação binária: Notação decimal com pontos:

12 Endereços especiais Todos os bits com zero ( ): este host nessa rede Pode aparecer como apenas como endereço fonte É usado no processo de inicialização (boot), antes do equipamento obter seu endereço Todos os bits com um ( ): difusão (broadcast) local Sufixo de host com todos os bits zero (ex.: ): endereço da rede Sufixo de host com todos os bits um (ex.: ): difusão (broadcast) direcionada Endereço significa loopback, ou seja, não é enviado pela rede A rede inteira é reservada para loopback

13 Multicast IP permite multicast (multi-destinatário), porém o suporte não está disponível em toda Internet Endereços da classe D são reservados para multicast IP multicast usa hardware multicast quando este está disponível Cada endereço corresponde a um grupo de equipamentos

14 Atribuição de endereços Todos os hosts na mesma rede possuem o mesmo prefixo (de rede) nos endereços Prefixos são atribuídos por uma entidade central Ou obtidos de um ISP (Internet Service Provider) Cada host em uma rede tem um único sufixo Sufixos são atribuídos localmente Administrador é responsável por garantir a unicidade

15 Exemplo de algumas redes R2 1 10M Rede R Restante da Internet 1 10K R3 Rede Rede Site com 3 redes de classes diferentes

16 Observação importante Divisão do endereço IP em prefixo e sufixo significa que cada site pode atribuir e usar seus endereços de formas não convencionais, desde que: Todos os hosts e roteadores no site respeitem o esquema estabelecido Outros sites na Internet continuem podendo tratar os endereços desse site da forma convencional (prefixo + sufixo)

17 Restrições do endereços IP com classe Apenas três classes para enquadrar as redes Classe C muito pequena: apenas 254 hosts Computadores pessoais resultaram em redes com muitos hosts Classe B permite muitos hosts, mas o número de prefixos é insuficiente (pouco mais de 16 mil) Classe A tem número muito pequeno de prefixos: 126 Problema: como racionalizar a atribuição de prefixos de rede (sobretudo de classe B) sem abandonar o esquema de endereçamento de 32 bits?

18 Endereçamento de sub-rede Não é parte do esquema de endereçamento IP original, mas ainda mantém compatibilidade Permite que um site use um único prefixo de rede para múltiplas redes físicas Subdivide o sufixo de host em um par de campos: rede física e host O novo esquema é tratado apenas por roteadores e hosts do site Externamente os endereços são tratados pelo esquema original

19 Exemplo de sub-rede Tráfego em direção a rede sub-rede K R1 Restante da Internet sub-rede K Site com 2 redes físicas, mas apenas uma rede IP As duas redes físicas compartilham o mesmo prefixo de rede: Roteador R1 usa o terceiro byte para escolher a rede física

20 Interpretação dos endereços Endereços com classe tem dois níveis hierárquicos Rede física é identificada pelo prefixo Host na rede é identificado pelo sufixo Endereços com sub-rede tem três níveis hierárquicos Site é identificado pelo prefixo de rede Rede física (dentro do site) é identificada por parte do sufixo Host na rede é identificado pelo restante do sufixo

21 Exemplo de interpretação de endereço Usando um endereço de classe B Prefixo de rede Sufixo de host Parte Internet Parte local Prefixo de rede Sub-rede Sufixo de host Prefixo do host foi dividido para obter 256 subredes (8 bits) com 256 hosts (8 bits restantes) cada uma De fato, 254 hosts + end. sub-rede + end. difusão

22 Tamanho da sub-rede Depende da topologia do site e do número de hosts em cada rede física Pode ser qualquer subdivisão de uma rede classe A, B ou C, desde que seja uma potência de dois O tamanho é estabelecido por uma máscara de sub-rede

23 Máscara de sub-rede A cada rede física é associado uma máscara de endereço de 32 bits, também chamada máscara de sub-rede Os bits 1 na máscara cobrem todo o prefixo de rede mais zero ou mais bits do sufixo de host Para identificar o prefixo de rede e a sub-rede é feito um E lógico (bit-a-bit) entre o endereço IP fornecido e a máscara de sub-rede Dois tipos de máscara: Máscara de sub-rede de tamanho fixo Máscara de sub-rede de tamanho variável (Variable Length Subnet Mask VLSM)

24 Máscara de sub-rede de tamanho fixo exemplo Tráfego em direção a rede R2 1 10K R1 Restante da Internet 1 10K R3 1 10K 1 10K Site com 4 redes físicas, mas apenas uma rede IP 4 sub-redes de uma classe B (ex.: ) atendem adequadamente, sendo todas as sub-redes do mesmo tamanho

25 Máscara de sub-rede de tamanho fixo exemplo (cont.) Rede = sub-redes => 2 bits para a máscara Máscara = ou (notação decimal com pontos) 1.a sub-rede = ou a sub-rede = ou a sub-rede = ou a sub-rede = ou

26 Máscara de sub-rede de tamanho fixo exemplo (cont.) Novos endereços de (sub)rede e difusão: 1.a sub-rede = ou end. de difusão = ou a sub-rede = ou end. de difusão = ou a sub-rede = ou end. de difusão = ou a sub-rede = ou end. de difusão = ou

27 Máscara de sub-rede de tamanho fixo exemplo Tráfego em direção a rede R2 1 10K R1 Restante da Internet sub-rede / K 1 10K R3 sub-rede / sub-rede / K sub-rede / Site com 4 redes físicas, mas apenas uma rede IP Resultado da distribuição de endereços IP da rede usando 4 sub-redes de mesmo tamanho

28 Máscara de sub-rede de tamanho fixo Site usa a mesma máscara em todas as redes físicas Vantagens: Uniformidade Facilidade de projeto, manutenção e depuração Desvantagens: Número fixo de redes para todo o site Número fixo de hosts por rede

29 Máscara de sub-rede de tamanho variável (VLSM) exemplo Tráfego em direção a rede R2 1 10K R1 Restante da Internet 1 20K R3 1 5K 1 5K Site com 4 redes físicas, mas apenas uma rede IP 4 sub-redes de uma classe B (ex.: ) atendem adequadamente, no entanto, cada sub-rede possui um tamanho diferente

30 Máscara de sub-rede de tamanho variável (VLSM) exemplo (cont.) Rede = redes físicas, sendo que a maior necessita de ½ dos endereços IP => 1 bit (resta ½ dos endereços) A segunda maior rede física necessita de ¼ dos endereços => 2 bits (resta ¼ dos endereços) As duas redes físicas menores são atendidas com 1/8 dos endereços (cada uma) => 3 bits Ou seja, as respectivas máscaras atendem: Máscara = ( ) Máscara = ( ) Máscara = ( )

31 Máscara de sub-rede de tamanho variável (VLSM) exemplo Tráfego em direção a rede R2 1 10K R1 Restante da Internet sub-rede / K R3 sub-rede / K 1 5K sub-rede / sub-rede / Site com 4 redes físicas, mas apenas uma rede IP Resultado da distribuição de endereços IP da rede usando 4 sub-redes de tamanhos diferentes

32 Máscara de sub-rede de tamanho variável (VLSM Variable Length Subnet Mask) Administrador pode escolher tamanhos diferentes para cada rede física Máscara é associada com base na rede física, ou seja, cada rede pode ter a sua máscara Vantagens: Flexibilidade para misturar redes físicas de diferentes tamanhos Uso mais racional do espaço de endereçamento Desvantagens: Maior complexidade para atribuir e administrar endereços Potenciais ambiguidades e inconsistências no endereçamento

33 Máscara de sub-rede de tamanho variável (VLSM) exemplo de inconsistência Tráfego em direção a rede R2 1 10K R1 Restante da Internet 1 20K R3 1 5K 1 5K Site com 4 redes físicas, mas apenas uma rede IP Mesma configuração anterior, porém usando uma distribuição diferente que leva a uma sub-rede que não é endereçada conforme o esperado

34 Máscara de sub-rede de tamanho variável (VLSM) exemplo de inconsistência (cont.) Rede = redes físicas, sendo que a primeira (de cima para baixo na figura anterior) necessita de ¼ dos endereços IP => 2 bits (resta ¾ dos endereços) A segunda (e maior) rede física necessita de ½ dos endereços => 1 bit (resta ¼ dos endereços) As duas redes físicas menores são atendidas com 1/8 dos endereços (cada uma) => 3 bits Ou seja, as respectivas máscaras atendem: Máscara = ( ) Máscara = ( ) Máscara = ( )

35 Máscara de sub-rede de tamanho variável (VLSM) exemplo de inconsistência (cont.) Tráfego em direção a rede R2 1 10K R1 Restante da Internet sub-rede / K R3 sub-rede / K 1 5K sub-rede / sub-rede / Site com 4 redes físicas, mas apenas uma rede IP O resultado é semelhante ao obtido anteriormente, porém há uma inconsistência

36 Máscara de sub-rede de tamanho variável (VLSM) exemplo de inconsistência (cont.) Supondo que a distribuição fosse válida, as tabelas de roteamento dentro do site conteriam as seguintes entradas: / / / / Se um pacote endereçado ao IP aparecesse, em qual entrada da tabela se enquadraria? Pela distribuição seria na 2.a entrada ( / ), mas veja o resultado do E bit-a-bit entre o endereço e a máscara: = (E) = = (???)

37 Roteamento com VLSM Cada entrada na tabela de roteamento tem uma máscara associada Uma máscara com todos os bits 1 é usada para uma rota específica para um host Uma máscara de rede (A, B ou C) é usada para rota específica de rede Uma máscara de sub-rede é usada para rota específica de sub-rede Uma máscara com todos os bits 0 é usada para especificar a rota padrão As rotas são ordenadas por ordem decrescente de bits 1 nas máscaras

38 Classless Inter-Domain Routing Problemas: (CIDR) Crescimento exponencial da Internet O uso de sub-redes não é suficiente Endereços IP limitados (sobretudo classe B) Previsão feita em 1993: Endereços IP (versão 4) esgotados em poucos anos Devido a várias medidas até hoje endereços não se esgotaram Novas previsões: 2010, 2011, 2016, 2023, etc.

39 Motivação para CIDR: classe C Contexto: Pouco mais de 16 mil prefixos de classe B Mais de 2 milhões de prefixos de classe C Classe C é muito pequena para um grande número de redes Com CIDR tornou-se possível, por exemplo: Agrupar 256 prefixos de classe C em um único prefixo equivalente a uma classe B Dividir uma classe B em prefixos menores, desde que potências de 2

40 Notação CIDR Endereços são escritos no formato: número/m Número: prefixo de rede M: quantidade de bits 1 na máscara, ou seja, seu tamanho Exemplo: /20 Prefixo ocupa 20 bits Sufixo ocupa 12 bits Essa faixa equivale a 16 prefixos de classe C ou 1/16 de classe B

41 Exemplo em detalhe = bits = prefixo da rede = ou end. de difusão = ou É equivalente, por exemplo, às seguintes redes classe C agrupadas:

42 Proliferação de rotas Se o roteamento usasse o esquema original de classes, os endereços CIDR implicariam em muitas rotas Por exemplo, um site com uma faixa equivalente a 16 redes classe C (como a anterior) precisaria de 16 entradas em uma tabela de rotas CIDR propõem o conceito de super-rede Uma faixa de endereços pode ser subdividida (sub-rede) e um conjunto de faixas pode ser agrupado (super-rede)

43 Agregação de rotas Muda o roteamento, assim como foi mudado o endereçamento Cada rota tem uma máscara associada Sempre que informações de roteamento são trocadas, o par (endereço,máscara) é enviado Também é conhecida como bloco CIDR

44 Roteamento com CIDR Cada entrada na tabela tem uma máscara associada Busca é organizada do mais específico para o menos específico (ou seja, entrada com maior máscara é testada antes) Conhecida como consulta (ou busca) do prefixo mais longo Enfim, semelhante a VLSM, porém não está restrito a um site

45 Usando CIDR - exemplo 1 R2 1 4K R1 Restante da Internet 1 8K R3 1 2K 1 2K O site pode ser atendido (como exemplo) pela seguinte rede /18, evitando: O desperdício de uma rede classe B A manipulação de 64 entradas de redes classe C apenas para o site

46 Usando CIDR - exemplo 1 (cont.) Tráfego em direção a rede /18 R2 1 4K R1 Restante da Internet sub-rede /20 1 8K R3 sub-rede /19 1 2K 1 2K sub-rede /21 sub-rede /21 Uso da rede /18, com VLSM para atender as redes físicas de diferentes tamanhos e CIDR para descrever agregações (e portanto, rotas) sem classe

47 Alguns ISPs tem clientes com demanda por pequeno número de endereços IP, a qual pode ser atendida por uma fração de classe C. Por exemplo, a rede /26, atende o site acima Usando CIDR - exemplo 2 R R1 Restante da Internet 1 28 R3 1 13

48 Usando CIDR - exemplo 2 (cont.) Tráfego em direção a rede /26 R R1 Restante da Internet 1 sub-rede /28 28 R3 sub-rede / sub-rede /28 Uso da rede /26, com VLSM para atender as redes físicas de diferentes tamanhos e CIDR para economizar endereços

49 Resumo CIDR Atende temporariamente, espera-se que até a versão 6 do IP se estabelecer Foi previsto para ter sucesso durante alguns anos, mas superou muito as expectativas Mantém compatibilidade retroativa com endereços com classe Basicamente, estende o conceito de máscara de sub-rede de tamanho variável (VLSM) para o prefixo

50 Mais endereços especiais Endereços IP privados Alguns blocos CIDR reservados para uso dentro de um site Não devem aparecer na Internet pública Podem se repetir em diferentes sites São também chamados não roteáveis, pois alguns roteadores (na Internet) os descartam São eles: Prefixo Início Fim 10/ / / /

51 Roteamento Regras para o encaminhamento de pacotes Hosts entregam pacotes para destinos conectados diretamente Destino está conectado diretamente quando tem o mesmo prefixo de rede da origem, ou seja, exige um teste simples Hosts enviam para um roteador os pacotes que não conseguem entregar diretamente Hosts também precisam tomar decisões de encaminhamento Roteadores encaminham pacotes para outros roteadores Roteador mais próximo do destino faz a entrega direta

52 Exemplo Tabela do roteador R

53 Encaminhamento eficiente Decisões são baseadas em consulta à tabela de roteamento ou encaminhamento Tabela de roteamento mantém apenas os prefixos de rede Tabela de rota mantém apenas o endereço para o próximo roteador, ou seja, é um roteamento (ou encaminhamento) de próximo-salto Operações que exigem extrema eficiência: Consulta à tabela (table lookup) Atualização de rota

54 Entradas especiais Rota padrão (default route) Não é obrigatória, mas é útil, sobretudo para hosts É usada quando o endereço não casa com nenhuma outra entrada da tabela (máscara: ) Normalmente, deve haver apenas uma rota padrão Rota específica para host Pode ser usado para estabelecer um caminho específico para um host, por exemplo, diferente do caminho de seu prefixo de rede Máscara: