Redes e Conectividade Protocolos icmp, arp, rarp, bootp e dhcp Versão 1.1 Outubro de 2016 Prof. Jairo jairo@uni9.pro.br professor@jairo.pro.br http://www.jairo.pro.br/ Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 1 / 14
O icmp é um protocolo de camada 3 do RM-OSI. Os protocolos arp e rarp estão na camada 2 do RM-OSI. Já os protocolos bootp e DHCP são de camada de aplicação, que é a camada 7 do RM-OSI. Estes protocolos estão sendo apresentados aqui por serem os sucessores do rarp. Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 2 / 14
1 Protocolo icmp (internet control message protocol) 1.1 Descrição O icmp (internet control message protocol, protocolo de controle de mensagem da internet), é um protocolo de camada 3. Funcionalmente, a mensagem do icmp é encapsulada num datagrama IP, e por isso não oferece garantia de entrega. É semelhante ao UDP (mas cabe lembrar que o UDP é um protocolo de camada 4). O icmp não é usado para transportar dados. Tem como finalidade relatar erros no processamento de datagramas IP e prover mecanismos de investigação das características de redes TCP/IP, portanto é usado também como ferramenta para fazer diagnósticos de redes. É importante notar que o icmp apenas relata e não especifica nenhuma ação para corrigir os erros encontrados. O funcionamento do icmp é peerto-peer (par a par). Como exemplo, um par envia um request (requisição) e o que recebe a mensagem responde com um replay. Isto é diferente do modelo cliente-servidor, que envolve uso de portas de serviço e de cliente, como ocorre com DHCP. Requisição (request) e resposta (replay) peer-to-peer (par a par). Mas também poderia ser o caso de informar problemas na entrega de datagramas IP, como por exemplo quando um par não está respondendo, quando a rede não está acessível, quando um nó está sobrecarregado, quando encontra um erro no cabeçalho do datagrama IP, etc. Mensagem icmp para informar o descarte do datagrama IP. As mensagens de retorno icmp usam tipos (types) e códigos (codes) para informar ao remetente do datagrama o erro que ocorreu. Alguns exemplos de tipos (types) de mensagem icmp seguem abaixo: Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 3 / 14
Tipo Código Descrição Explicação 0 0 Resposta eco (echo replay) 3 0 a 15 Destino inacessível 5 0 a 3 Redirecionamento 11 0 ou 1 Tempo excedido 12 0 ou 1 Problema de parâmetro É a resposta gerada para uma requisição eco (echo request). O echo request é usado pelo comando ping, e a sua resposta é mandatória para todos os hosts e roteadores. Notifica que o datagrama IP não teve como ser encaminhado e por isso foi destruído (dropped). O campo código tem a explicação para este descarte. Informa que existe uma rota alternativa para o datagrama e por isso deveria ser atualizada a tabela de rotas. O campo código explica a razão para a mudança da rota. É enviado quando o campo TTL 1 atinge contagem zero (código 0) ou quando ocorre timeout (expiração de tempo) para remontagem de segmentos (código 1). É enviado quando o cabeçalho IP é inválido (código 0) ou quando está faltando alguma opção obrigatória do cabeçalho IP (código 1). Alguns exemplos de códigos para o tipo 3 (Destino inacessível) segue abaixo: Código Descrição 0 Rede de destino inalcançável (destination network unreachable). 1 Host de destino inalcançável (destination host unreachable). 2 Protocolo de destino inalcançável (destination protocol unreachable). 3 Porta de destino inalcançável (destination port unreachable). 6 Rede de destino desconhecida (destination network unknown). 7 Host de destino desconhecido (destination host unknown). 1.2 Comandos de diagnóstico Como foi dito, o protocolo icmp não é usado apenas para informar problemas na entrega do datagrama IP, mas também para o administrador da rede fazer diagnóstico de problemas. Para este diagnóstico existem comandos padronizados como o ping, traceroute (tracert, no Windows) ou mtr. O comando ping ajuda no diagnóstico de conectividade na rede. É usado tanto para verificar se determinada máquina está acessível na rede quanto verificar se o sistema de onde está sendo 1 TTL: Time To Live (tempo de vida) é um valor numérico no datagrama IP (por exemplo, 64), que é subtraído de uma unidade toda vez que este chegar a um roteador. Se depois desta subtração permanecer maior que zero, o reteador encaminha o datagrama, se não, descarta. O objetivo é impedir a perpetuação de datagramas em loop devido a problemas em tabelas de roteamento. Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 4 / 14
dado o comando ping está na rede. Alguns exemplos de ping seguem abaixo: Comando ping com envio de 3 pacotes. Notar que o TTL padrão (default) é 58. Comando ping6 (ipv6) com envio de 3 pacotes. Notar que o TTL padrão (default) é 55. O comando traceroute é uma ferramenta para diagnóstico da rota e também medida de demora no trânsito de pacotes desde a origem até o destino. O traceroute funciona enviando pacotes icmp com incremento gradual no valor TTL: o primeiro pacote tem valor TTL 1, o segundo tem TTL 2 e assim por diante. O primeiro roteador recebe o pacote, decrementa o valor TTL, destrói (drop) este pacote pois passou a ter valor TTL zero e então envia uma mensagem icmp Tempo excedido de volta para o remetente. Seguindo este procedimento, traceroute engenhosamente usa a mensagem de retorno icmp Tempo excedido para construir uma lista de roteadores por onde o datagrama segue desde a origem até o destino. Ao chegar finalmente no destino, recebe como retorno uma mensagem icmp resposta eco (echo replay). Comando traceroute com a opção -I para usar icmp echo. A opção -n é para não resolver os nomes dos hosts. NOTA: O comando traceroute também pode usar protocolos TCP ou UDP, ao invés de icmp. Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 5 / 14
Comando traceroute com a opção -6 para usar ipv6 e não ipv4 (que é o default). Nos saltos 6, 7 e 8 os asteriscos retornados indicam timeout (expiração) no retorno do pacote. O comando mtr é semelhante ao traceroute, porém tem funcionalidades adicionais. Nos exemplos abaixo, foi feito um trace e gerado um relatório (report) com envio (snt) de 3 pacotes para cada salto. Comando mtr com a opção -n para não resolver os nomes dos hosts, opção -4 para usar ipv4 e não ipv6, opção -r para gerar um relatório e opção -3 para enviar 3 pacotes em cada salto. Comando mtr com a opção -n para não resolver os nomes dos hosts, opção -6 para usar ipv6, opção -r para gerar um relatório e opção -3 para enviar 3 pacotes em cada salto. Nos saltos 6, 7 e 8 as interrogações indicam timeout (expiração) no retorno do pacote. O comando mtr também pode usar protocolos TCP ou UDP, ao invés de icmp. Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 6 / 14
2 Protocolo arp (address resolution protocol) 2.1 Descrição Na LAN, cada datagrama (camada 3) enviado para a rede local é encapsulado num frame (camada 2), então além do endereço IP de destino também é necessário saber o endereço MAC do destinatário. É necessário os dois endereços de destino, pois o esquema de endereçamento ipv4 é independente do endereçamento físico. O arp (address resolution protocol, protocolo de resolução de endereço), é o protocolo usado para obter o endereço do hardware MAC (Media Access Control), quando se dispõem do endereço lógico (endereço IP). Uma vez determinado o endereço físico, o arp mantém em cache (tabela arp) o mapa dos endereços MAC relacionados aos endereços IP. Embora opere em camada 2 (camada de linque, link layer), o quadro gerado pelo arp transporta informações de camada 3. Por ser de camada 2, arp não é roteável. Para entender o funcionamento do arp, considerar o caso abaixo: i) a estação de trabalho A com IP 192.168.1.10 quer enviar uma mensagem para a estação C, que tem IP 192.168.1.12. As duas máquinas estão na mesma rede, porém A não sabe o endereço físico (MAC) de C; ii) a estação A envia um broadcast ARP perguntando quem tem endereço IP 192.168.1.12 (ARP "who-has" request); iii) todas as estações da rede recebem o broadcast, porém apenas C responde com ARP replay enviando seu endereço físico para A; iv) a estação A recebe o ARP replay e armazena o par IP:MacAddress na sua tabela ARP para que, da próxima vez que precisar se comunicar com C, não necessite fazer outro broadcast. A B C 192.168.1.10 192.168.1.11 192.168.1.12 A B C 192.168.1.10 192.168.1.11 192.168.1.12 Broadcast ARP who-has request para o endereço FF:FF:FF:FF:FF:FF Quem tem o IP 192.168.1.12? Resposta ARP replay da Estação C para A Eu tenho MAC 51:54:00:6d:d1:13 Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 7 / 14
Nesta rede, o tráfego ARP para a requisição e resposta pode ser observado, por exemplo, com o comando tcpdump: Comando tcpdump com opções para observar o tráfego ARP na rede. 2.2 Comando arp Para visualizar o conteúdo da tabela ARP (cache ARP), usar o comando arp: Comando arp com a opção -n para não resolver os nomes dos hosts. O comando arp também permite deletar e incluir entradas do cache ARP. No exemplo acima, a flag CM para o endereço 192.168.1.100 indica que foi criada manualmente, portanto é estática e nunca expira. As demais entradas são dinâmicas, pois foram criadas ao final das resoluções ARP com sucesso. Estas últimas expiram após algum período de tempo. A duração típica do cache ARP é de 60 minutos num Linux. Se neste intervalo não for reusado, expira e é removido do cache. 2.3 ARP Gratuito (Gratuitous ARP) Normalmente, a resposta ARP is-at (está em) é enviada em resposta a uma requisição ARP who-has (quem tem), resposta esta que causa a atualização da tabela ARP do requisitante. Mas caso haja alteração do MAC, por exemplo pela substituição da interface de rede da estação B do exemplo acima, as outras máquinas desta rede vão manter no cache ARP o valor antigo por algum tempo, e isto vai impedi-las de acessar a estação B enquanto não renovarem o cache. Neste caso, a estação B pode enviar um broadcast ARP replay para todas as outras máquinas da rede local para atualizarem as suas tabelas ARP. Este ARP replay não é resposta a uma requisição específica, por isso é chamado de ARP gratuito. O ARP gratuito pode ser enviado com o comando arping. Por exemplo, se a estação B acessa a rede pela interface ethernet eth0 e nela for rodado o comando: Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 8 / 14
arping -A -I eth0 192.168.1.11 então será enviando um broadcast ARP replay para todas máquinas nesta rede, que atualizarão suas tabelas ARP para retratar o novo endereço MAC da estação B. O comando arping acima continua enviando o broadcast até que seja encerrado com um Control-C. O tráfego ARP para este broadcast pode ser observado, por exemplo, com o comando tcpdump: Comando tcpdump para observar o broadcast ARP na rede criado pelo arping na estação B. 2.4 Proxy ARP Um caso incomum, mas que pode ser útil eventualmente, é o proxy ARP. A tradução de proxy é representante, portanto proxy ARP pode ser entendido como alguém que responde ao broadcast ARP no lugar de outro. Para entender o funcionamento, vamos considerar o caso abaixo para duas LANs, LAN 1 e LAN 2, conectadas por um roteador. Neste caso, se o host B na LAN 1 quiser enviar uma mensagem para o host C na LAN 2, a máscara de rede em host B vai mostrar que o endereço de destino está em outro segmento da rede, portanto o pacote será enviado para o default gateway, que está no IP 172.16.1.1 do roteador. O roteador então roteia o pacote para o host C, desde que haja rota para a LAN 2. Mas se o host A na LAN 1 também quiser enviar uma mensagem para o host C, a situação é diferente. A máscara de rede em host A mostra que o endereço de destino está no mesmo segmento de rede, e por isso a tabela ARP deve ser consultada. Não havendo a entrada para host C no cache ARP de host A, este faz um broadcast (ARP "who-has" request) para atualizar a sua tabela ARP. Porém, este broadcast ARP não prossegue através do roteador, então falharia a atualização da tabela ARP caso a funcionalidade proxy ARP não estivesse habilitada no roteador. Esta funcionalidade não costuma estar habilitada por default (por padrão). Estando habilitado proxy ARP no roteador, este agora responde ao host A (ARP replay) com o MAC de sua interface de rede na LAN 1. E após isso, a mensagem do host A para o host C será roteada pelo proxy ARP. Proxy ARP é uma técnica pela qual um dispositivo (por exemplo, o roteador) responde à requisição do broadcast ARP para um endereço MAC que não está naquele segmento de rede. Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 9 / 14
Naturalmente, neste caso, o roteador sabe que o host C não está na LAN 1 mas está na LAN 2. Proxy ARP habilitado no roteador para permitir ao host A se comunicar com os hosts da LAN 2. Normalmente, quando se usa proxy ARP não é configurado default gateway nos hosts. Em ipv6, a funcionalidade do arp é obtida com o NDP (Neighbor Discovery Protocol). Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 10 / 14
3 Protocolo rarp (reverse address resolution protocol) O rarp (reverse address resolution protocol, protocolo reverso de resolução de endereço), é um protocolo obsoleto que era usado para obter o endereço IP quando se dispunha do endereço MAC. O funcionamento do rarp é semelhante ao caso descrito para arp. O objetivo do rarp era obter endereço IP dinamicamente. Mas devido às deficiências do rarp em suprir um endereço IP, este foi substituído pelo bootp (bootstrap protocol, protocolo de inicialização). Algumas deficiências que levaram à obsolescência do rarp, são: havia a necessidade do servidor rarp estar no mesmo segmento de rede que o cliente que solicitava o endereço IP; como os endereços de hardware (MAC) precisavam estar cadastrados num database do servidor rarp, não podia ser usado em redes onde o endereço de hardware era alocado dinamicamente nos clientes (como é o caso da virtualização atual); fornecia apenas o endereço IP e não outras informações importantes como máscara de rede, default gateway e endereços IP dos servidores de nomes (DNS). Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 11 / 14
4 Protocolo BOOTP (BOOTstrap Protocol) O bootp (bootstrap protocol, protocolo de inicialização), é usado para atribuir automaticamente um endereço IP à máquina na rede que solicite um IP a um servidor bootp. A ideia aqui é que, logo após o boot, uma máquina na rede que não tenha um endereço estático previamente configurado solicite um endereço IP dinâmico a um servidor bootp. Daí vem o nome deste protocolo. Bootp opera num paradigma cliente-servidor: de um lado está o cliente que solicita o endereço IP, do outro o servidor bootp que atribui este IP baseado nas configurações previamente definidas pelo administrador da rede. O serviço bootp usa protocolo de transporte UDP e porta de serviço 67. A porta de cliente é a 68, usada para receber as respostas do servidor. Para obter o endereço IP, o cliente faz um broadcast lógico (endereço de destino 255.255.255.255) para procurar por servidores bootp na rede. Desde que esteja ativo nos roteadores o bootp relay agent (agente de retransmissão), este broadcast consegue cruzar pelos roteadores e assim obter um endereço IP do servidor bootp, mesmo que cliente e servidor estejam em segmentos de rede diferentes. Atualmente o serviço bootp está superado pelo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), porém quase tudo que existe no DHCP veio do bootp. Mesmo perdendo espaço para o DHCP, bootp ainda continua sendo usado em redes diskless (estações de trabalho sem disco). As poucas diferenças entre bootp e DHCP são: o processo via bootp tem duas fases, uma para obter endereço IP e outra para fazer download (via TFTP) de uma imagem de boot. Se necessário, bootp também pode fornecer o sistema operacional para estações diskless. DHCP não fornece imagem de boot, portanto tem apenas uma fase; os clientes bootp somente renovam o endereço IP na reinicialização da máquina (boot), enquanto no DHCP os clientes automaticamente renovam os seus endereços periodicamente. O servidor DHCP também pode reclamar os IPs que não estão mais em uso pelos clientes. Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 12 / 14
5 DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Atualmente, DHCP é o serviço mais usado para atribuir endereços IP dinamicamente às estações de trabalho e portáteis de um modo geral. Do mesmo modo que o cliente do serviço bootp, o cliente DHCP faz um broadcast lógico na rede para obter o endereço IP. Além do endereço IP, precisa obter também informações importantes tais como default gatway, nome do domínio, os endereços IP dos servidores de nome, máscara de rede e servidores de relógio (time servers). O processo de concessão (lease) do IP consiste de quatro mensagens trocadas entre o servidor DHCP e o cliente. Estas mensagens são conhecidas por DORA, que são as iniciais de Discover (descobrir), Offer (oferecer), Request (requisitar) e Acknowledge (reconhecer): DHCPDISCOVER: esta mensagem é um broadcast enviado pelo cliente para descobrir (discover) um servidor DHCP na rede. Normalmente não existe um servidor DHCP no mesmo segmento de rede do cliente, então no roteador que interconecta estas redes é necessário configurar um agente de retransmissão DHCP (DHCP relay agent) para encaminhar as mensagens para os outros segmentos de rede, e então poder encontrar um servidor DHCP; DHCPOFFER: esta mensagem é uma resposta (oferta) do servidor ao broadcast do cliente, que pode ser enviada por um ou mais servidores DHCP encontrados; DHCPREQUEST: nesta mensagem, o cliente envia a requisição (request) ao primeiro servidor DHCP que ofereceu a resposta. Esta mensagem indica que o cliente está requisitando um endereço IP para concessão; DHCPACK: a mensagem de reconhecimento (acknowledge) é enviada pelo servidor DHCP para o cliente. Este é o processo pelo qual o servidor atribui a concessão (lease) do endereço IP ao cliente. Normalmente, o endereço IP atribuído não é permanente, mas tem uma certa duração de tempo. Processo de concessão de IP (DORA). Dependendo da implantação, o servidor DHCP pode ter três métodos de alocação de endereço IP: Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 13 / 14
i) Alocação dinâmica (Dynamic allocation): o administrador da rede reserva uma faixa de endereços IP para DHCP, e cada cliente DHCP na rede é configurado para requisitar um endereço IP durante a inicialização. Neste processo, é usado um conceito de concessão por um período de tempo controlável, que permite ao servidor DHCP reclamar de volta o endereço IP que não for renovado posteriormente. ii) Alocação automática (Automatic allocation): o servidor DHCP atribui permanentemente o endereço IP para o cliente, endereço este escolhido de uma faixa definida pelo administrador da rede. É semelhante à alocação dinâmica, com a diferença que o servidor DHCP mantém numa tabela as últimas atribuições de IP, assim à cada renovação consegue atribuir preferencialmente o mesmo endereço IP que o cliente já vinha usando anteriormente. iii) Alocação manual (Manual allocation): também conhecido por alocação estática ou reserva de endereço, consiste em mapear como estático o endereço IP do cliente. O objetivo é impedir que o DHCP atribua a outro cliente o endereço IP que foi cadastrado estático numa máquina, normalmente um servidor que não obtém endereço IP dinamicamente. O DHCP relay agent (agente de transmissão DHCP) é uma funcionalidade usada nos roteadores para encaminhar as mensagens do cliente para o servidor DHCP quando eles estão em redes segmentadas. Neste caso, se o DHCP relay agent está habilitado no roteador, o broadcast DHCPDISCOVER será recebido pelo roteador e encaminhado para o outro segmento da rede. Neste pacote, seguirá o endereço IP do roteador no segmento do cliente, no exemplo abaixo 192.168.1.1, isso para que no processo DHCPACK o servidor DHCP saiba em qual rede o cliente está e assim possa atribuir o IP correto. DHCP relay agent habilitado no roteador para encaminhar as mensagens de um segmento de rede para o outro. Em ipv6, o protocolo equivalente a DHCP é o DHCPv6. Redes e Conectividade outubro/2016 - Prof. Jairo - professor@jairo.pro.br - http://www.jairo.pro.br/ 14 / 14