Tema 7. Adreçament i Encaminament (2015)

Resumen Catalán
Universidad Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
Grado Ingeniería Telemática - 1º curso
Asignatura F.T. Fonaments Telemàtica
Año del apunte 2015
Páginas 15
Fecha de subida 02/01/2015
Descargas 25
Subido por

Vista previa del texto

02/01/2015   TEMA 7. Adreçament i encaminament 1. Adreçament 1.1. Introducció L’adreçament és una necessitat ja que s’ha d’identificar els destinataris de la informació. Els identificadors han de ser únics dins el seu àmbit. Hi ha una necessitat d’establir relacions entre identificadors, per saber les adreces MAC i adreces IPC de origen i destí. Per a fer-ho utilitzem ARP.
També hi ha una necessitat d’anomenar els hosts d’una manera més amigable; Les adreces IP <-> Noms (DNS) 1.2. Adreçament a la XTC, LANs i IP La estructura jeràrquica de la xarxa i de l’adreçament seria com la de la imatge que tenim a continuació, posant com exemple el numero telefònic següent: 00 34 93 401 0000 El numero sencer és l’Adreça Global E.164. La E.164 és una recomanació de la UIT (Unió Internacional de Telecomunicacions) que assigna a cada país un codi numèric (codi de país).
00 -> Codi de Trucada Internacional 34 -> Codi de País, que és assignat per la ITU-T 93 -> Codi de l’Àrea (Província), que és assignat per la Autoritat Estatal 401 -> Codi de la Central, que és assignat per l’autoritat Estatal o Operador 0000 -> Codi de Terminal que es assignat per l’Operador ·Classes d’adreces (Adreçament IP) Tenim 3 classes unicast + 2 casos més:   1   02/01/2015   Les direccions IP es divideixen en classes per definir les xarxes de mida gran (A), mitjà (B), petit (C), d’ús multicast (D) i d’ús experimental (E).
Dins de cada rang de classes A, B, C existeixen direccions privades per ús intern i no les veiem en Internet (Normativa RFC 1918).
És a dir, l’adreçament IP és divideix en classes A, B, C, D i E. És una etiqueta numèrica que identifica, de manera lògica i jeràrquica, a una interfície (element de la connexió o comunicació) d’un dispositiu (normalment un ordinador) dins d’una xarxa que utilitzi el protocol IP, que correspongui al nivell de xarxa del protocol TCP/IP.
Aquest numero NO s’ha de confondre amb el que es un identificador de 48 bits.
Existeixen 5 tipus de classes de IP, més casos especials: ·Xarxa per defecte (default) – La direcció IP de 0.0.0.0 s’utilitza per la xarxa defecte.
·Classe A – Aquesta classe és per les xarxes molt grans, tals com les d’una companyia internacional. Del IP amb un primer octet a partir de 1 al 126 són part d’aquesta classe. Els altres octets són utilitzats per identificar cada amfitrió. Les xarxes de la classe A totalitzen la meitat de les direccions disponibles totals del IP. En les xarxes de classe A, el valor de bit (és a dir el primer numero binari) en el primer octet sempre és 0.
·Loopback – La direcció IP 127.0.0.1 s’utilitza com la direcció del loopback.
Això significa que és utilitzada per l’ordinador hoste per enviar un missatge de nou a si mateix. S’utilitza habitualment per localitzar averies i probes de la xarxa.
·Classe B – La Classe B s’utilitza per les xarxes de mida mitjà. Un bon exemple és un campus gran d’una universitat. Les direccions del IP amb un primer octet a partir del 128 al 191 són part d’aquesta classe. Les direccions de la classe B també inclouen el segon octet com part del identificador net.
Utilitzen als altres dos octets per identificar l’amfitrió o també és anomenat “host”. Això significa que hi ha 16.384 (214) xarxes de la classe B amb 65.534 (216 -2) amfitrions possibles cada un per un total de 1.073.741.824 (230) direccions úniques del IP. Les xarxes de la classe B fan un total de quatre direccions disponibles totals del IP i tenen un primer bit amb valor 1 i un segon bit amb valor 0 en el primer octet.
·Classe C – Les direccions de la classe C s’utilitzen habitualment pels negocis petits amb mida petita. Les direccions del IP amb un primer octet a partir del 192 al 223 són part d’aquesta classe. Les direccions de la classe C també inclouen a segons i tercer octets com part del identificador net.
Utilitzen al últim octet per identificar l’amfitrió. Això significa que hi ha 2.097.152 (221) xarxes de la classe C amb 254 (28-2) amfitrions possibles cada un per un total de 536.870.912 (229) direccions úniques del IP. Les xarxes de la classe C tenen un primer bit amb valor igual a 1, el segon bit amb valor 1 i el tercer bit amb valor 0 en el primer octet.
  2   02/01/2015   ·Classe D – Utilitzat pels MULTICAST, la classe D es una mica diferent de les tres primer classes. Aquestes classes tenen un primer bit igual a 1, segon bit igual a 1, tercer bit igual a 1 i un quart bit igual a 0. Els altres 28 bits s’utilitzen per identificar el grup d’ordinadors al que el missatge de multicast esta dirigit.
La classe D agafa 1/16 (268, 435, 546 o 22() de les direccions disponibles de l’IP.
·Classe E – La classe E s’utilitza per propòsits experimentals només. Com la classe D, és diferent de les tres primeres classes. Té un primer bit amb valor 1, un segon bit igual a 1, un tercer bit igual a 1 i el quart bit també igual a 1.
Els altres 28 bits s’utilitzen per identificar el grup d’ordinadors que els missatge del multicast esta dirigit. La classe E agafa 1/16 (igual que la classe D) de les direccions disponibles de l’IP.
·BroadCast – Els missatges que es dirigeixen a totes els ordinadors en una xarxa s’envien com broadcast. Aquets missatges sempre utilitzen la direcció IP: 255.255.255.255.
·Mascara de Xarxa – La mascara de xarxa és una combinació de bits que serveix per delimitar l’àmbit de la xarxa d’ordinadors. La seva funció és indicar als dispositius quina part de la direcció IP és el número de la xarxa, incloent la “Subred” i quina part es correspon al host.
Per exemple: 8bit x 4 octetos = 32 bit. (11111111.11111111.11111111.11111111 = 255.255.255.255) 8bit x 3 octetos = 24 bit. (11111111.11111111.11111111.00000000 = 255.255.255.0) 8bit x 2 octetos = 16 bit. (11111111.11111111.00000000.00000000 = 255.255.0.0) 8bit x 1 octetos = 8 bit. (11111111.00000000.00000000.00000000 = 255.0.0.0) En l’exemple 10.0.0.0/8, segons lo explicat, indicaria que la màscara de xarxa és 255.0.0.0.
Les màscares de xarxes, s’utilitzen com validacions de direccions realitzant una operació AND lògica entre la direcció IP i la màscara per validar l’equip.
Això permet realitzar una verificació de la direcció de la Xarxa i amb un OR i la mascara negada s’obté la direcció broadcasting.
· Porció de Host - La quantitat de bits "0" a la porció de host de la màscara, indiquen que part de la direcció de xarxa s'utilitza per assignar adreces de host, és a dir, la part de l'adreça IP que variarà segons es vagin assignant adreces als hosts.
Exemples: Si tenim l'adreça IP Classe C 192.168.1.0/24 i la passem a binari Els primers 3 octets, que coincideixen amb els bits "1" de la màscara de xarxa (fons brodar), és l'adreça de xarxa, que serà comú a tots els hosts que siguin assignats en l'últim octet (fons gris). Amb aquest mateix criteri, si tenim una direcció Classe B, els 2 primers octets són l'adreça de xarxa que serà comú a tots els hosts que siguin assignats en els últims 2 octets, i si tenim una adreça Classe A, l'1 octet és l'adreça de xarxa que   3   02/01/2015   va a ser comuna a tots els hosts que siguin assignats en els últims 3 octets.
Ara, si en comptes de tenir una adreça amb Classe tenim una ja subneteada, per exemple la 132.18.0.0/22, la situació és més complexa.
En aquest cas els 2 primers octets de l'adreça IP, ja que els 2 primers octets de la màscara de xarxa tenen tots bits "1" (fons bord), és l'adreça de xarxa i serà comú a totes les subxarxes i hosts . Com el 3r octet està dividit en 2, una part en la porció de xarxa i una altra a la de host, la part de l'adreça IP que correspon a la porció de xarxa (fons negre), que tenen en la màscara de xarxa dels bits "1", se n'anirà modificant segons es vagin assignant les subxarxes i només serà comú als host que són part d'aquesta subxarxa. Els 2 bits "0" del 3r octet en la porció de host (fons gris) i tot l'últim octet de l'adreça IP, seran utilitzats per assignar adreces de host.
Convertir Bits en Nombres Decimals Com seria gairebé impossible treballar amb adreces de 32 bits, cal convertirles en nombres decimals. En el procés de conversió cada bit d'un interval (8 bits) d'una adreça IP, en cas de ser "1" té un valor de "2" elevat a la posició que ocupa aquest bit en l'octet i després se sumen els resultats . Explicat sembla mig molest però amb la taula i els exemples es va a entendre millor   4   02/01/2015   CASOS ESPECIALS DE LES CLASSES D’ADRECES: ·L’adreçament privat ·Adreça loopback ·Adreces amb tots els bits de host i/o xarxa igual a 0 ·Adreces amb tots els bits de host iguals a 1 ·PROBLEMES: L’adreçament de la IP també té problemes. Un d’ells és la ineficiència de l’assignació d’adreces basada en classes. També tenim que les previsions a principis dels ’90 eren que internet corria perill de “morir d’èxit” i que les taules d’encaminament estaven en continu creixement. L’any 1996 totes les adreces de Classe A estaven assignades o reservades. I el 61.95% de l’espai d’adreçament de la classe B estava assignat o reservat també. Això era un gran problema en contra.
IPv4 ha aguantat fins ara ja que té una millor gestió de les adreces IPv4, gràcies a les màscares i també a DHCP. IPv4 té la possibilitat de compartir una adreça pública entre vàries màquines, amb lo que anomenem les NAT.
Com que IPv4 ha estat tan eficient tot i passat per èpoques no tant bones, s’ha creat IPV6 i ja no es pot esperar més: El Febrer del 2011, es van acabar les adreces IPv4 (IANA).
·Problemes: IANA delega la gestió dels recursos d’Internet a diferents entitats regionals (Regional Internet Registry (RIR).
·Configuració dinàmica de Host (dynamic Host Configuration Protocol) Es realitza una assignació dinàmica d’adreces IP a cada Host. Això és fa gràcies a que una màquina sol.licita a un servidor la configuració IP per connectar-se a la xarxa. En acabar la sessió, l’adreça IP no pot ser utlitzada per altres màquines. L’assignació d’adreces és permanent (durant tota la durada de la sessió) o pot ser Mode Lease (és a dir, llogat), és realitzaria una renovació periòdica.
  5   02/01/2015   La configuració Dinàmica de Host és el mecanisme més utilitzat en les xarxes LAN. Aquesta configuració dinàmica de Host esta basat en el model Client-Servidor. El servidor envia opcions de configuració al client.
UDP ports 68 (client) i 67 (servidor): User Datagram Protocol (UDP) és un protocol del nivell de transport basat en l'intercanvi de datagrames (Encapsulat de capa 4 Model OSI). Permet l'enviament de datagrames a través de la xarxa sense que s'hagi establert prèviament una connexió, ja que el mateix datagrama incorpora suficient informació d'adreçament a la seva capçalera. Tampoc té confirmació ni control de flux, de manera que els paquets poden avançar uns als altres; i tampoc se sap si ha arribat correctament, ja que no hi ha confirmació de lliurament o recepció.
El client ha d’enviar les peticions a l’adreça IP del servidor DHCP. Si no es coneix l’adreça IP del Servidor DHCP -> Mode BroadCast ·NAT: Network Address Translator RFC 3022: Traducció d'adreces de xarxa bàsica o bàsica NAT és un mètode pel qual s'assignen les adreces IP d'un grup a un altre, transparent a fi usuaris. Port de traducció d'adreces de xarxa, o NAPT és un mètode per que molts de xarxa i les seves adreces TCP / UDP (Transmission Control Protocol / User Datagram Protocol) ports es tradueixen en una sola i la seva adreça de xarxa TCP / UDP ports. Junts, aquests dos operacions, anomenada NAT tradicional, proporcionen un mecanisme per connectar un regne amb adreces privades a un mitjà extern amb úniques adreces registrades a nivell mundial.
NAPT: En les xarxes d'ordinadors, la traducció d'adreces de xarxa (NAT) proporciona un mètode de modificar informació de l'adreça de xarxa en el Protocol d'Internet (IP) capçaleres dels paquets de datagrames mentre estan en trànsit a través d'un dispositiu d'encaminament de trànsit per tal de reassignació d'espai d'adreces de l'IP a una altra. El terme NAT44 s'utilitza de vegades per indicar més específicament assignació entre dues adreces IPv4; aquest és el cas típic, mentre que IPv4 porta la majoria del trànsit a Internet.
NAT64 es refereix a l'assignació d'una adreça IPv4 a una adreça IPv6, o viceversa.
·Característiques: Nat és necessari quan les adreces IP d’una xarxa són només d’ús intern i no són vàlides a l’exterior. Fan funcionament transparent per l’usuari, és a dir, l’usuari no ho veurà.
  6   02/01/2015   ·DNS: Domain Name System És un sistema que està definit a diversos RFCs (sobre l’any 1987).
Aquest sistema associa informació variada amb noms de dominis assignat a cada un dels participants. La seva funció més important, és traduir (resoldre) noms intel·ligibles per a les persones en identificadors binaris associats amb els equips connectats a la xarxa, això amb el propòsit de poder localitzar i adreçar aquests equips mundialment. És a dir, l’objectiu és aconseguir un sistema que faciliti la referència a màquines i ho fa gràcies a que crea un sistema de traducció entre adreça IP i nom. També organitza la distribució de noms.
DNS es tracta d’un servei bàsic, sense DNS moles aplicacions no funcionarien, per exemple el correu electrònic.
1.3.
Resolució de noms Sistema DNS La xarxa de servidors DNS està organitzada de forma jeràrquica tal i com veiem a la imatge. La funció d’un servidor DNS és la de mantenir una base de dades adreça IP-nom de la seva zona local. Una altre funció del Sistema DNS és atendre peticions d’aquesta zona i per últim seria reenviar les peticions que calgui cap a servidors de nivell superior.
-Servidors arrel (root servers) Dins del sistema DNS trobem els Servidors arrel que són els servidor de nivell més alt. Els servidors arrel són una part crítica de la infraestructura d'Internet, ja que són el primer pas en la traducció (resoldre) els noms d'amfitrió llegibles en adreces IP que s'utilitzen en la comunicació entre els hosts d'Internet.
Una combinació de límits en el DNS i determinats protocols, és a dir, la mida pràctic de Datagram Protocol (UDP) sense fragmentar usuari, va donar lloc a una decisió de limitar el nombre de servidors arrel de tretze adreces de servidors.
Tots els servidors DNS han de poder accedir als Servidor arrel ja que si no poguessin accedir ja no es podria realitzar el primer pas que es la traducció.
  7   02/01/2015   En tot el mon existeixen 13 servidors arrel administrats per entitats diferents.
En la imatge de a continuació podem observar on estan ubicats.
També trobem que en el món existeixen repliques d’aquets 13 servidor arrel.
En total tenim més de 316 servidors repartits per tot el món.
·DNS: Format de noms Els noms estan format per un conjunt d’etiquetes separades per punts. Les etiquetes són alfanumèriques, permeten localitzar una màquina seguint les etiquetes de més a menys significatives. El domini més significatiu és un TLD (Top Level Domain).
Un domini de nivell superior o TLD (de l'anglès top-level domain) és la més alta categoria de les FQDN que són traduïts a adreces IP pels DNS oficials d'Internet. Els noms servits pels DNS oficials són administrats per Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN). Alternativament als DNS oficials hi ha una sèrie de serveis de DNS alternatius, com és OpenNIC.
Per exemple suposem la FQDN «www.wikipedia.org»: El domini de nivell superior serà: «.org».
El nom de domini registrat serà: «wikipedia».
El subdomini serà: «www».
  8   02/01/2015   ·Exemple DNS:   9   02/01/2015   ·Màscares, Nat, DHCP i DNS El detall teòric de cada un d’aquets components el veurem amb més exactitud a segon.
2. Encaminament 2.1. Introducció L’encaminament és la funció de buscar un camí entre tots els possibles en una xarxa de paquets la qual les seves topologies tenen una gran connectivitat. Donat que l’encaminament del que es tracta es de trobar la millor ruta, el primer serà definir que s’entén per millor ruta i conseqüentment quina es la mètrica que s’ha d’utilitzar.
Millor ruta: Entenem per millor ruta aquella que compleix les següents condicions: 1.Consegueix mantenir acotat el retard entre parets de nodes de la xarxa.
2. Aconsegueix oferir altes cadències afectives independentment del retard mig de trànsit.
3. Permet oferir el menor cost.
Mètrica: La mètrica simplement és el valor que han de prendre els diferents protocols d’enrutament per poder determinar quina és la millor ruta fins la xarxa destí. No és difícil trobar-se amb situacions on un router tingui més d’un camí fins la xarxa destí, i per tant, haurà d’utilitzar algun mètode per determinar quin d’aquets camins és el que convé. En alguns casos el router determinarà que la millor ruta és aquella que tingui major ample de banda.
Això dependrà de quin sigui el protocol d’enrutament que s’estigui utilitzant, ja que cada un utilitza una mètrica diferent.
Forwarding: El “forwarding” és el reenviament d’informació per part d’un commutador, d’acord amb la taula d’encaminament. A continuació podem veure un exemple de taula d’encaminament:   10   02/01/2015   2.2. Requeriments dels protocols i algorismes d’encaminament ·Un protocol d’encaminament ha de: -Transferir informació sobre la xarxa (completa o parcial) als nodes encarregats de prendre decisions d’encaminament. –Resumir de manera eficient aquesta informació.
·Les operacions eficients que han de realitzar és la minimització de la mida de les taules d’encaminament, la minimització de la mida i la freqüència de missatges de control a intercanviar entre nodes implicats (per exemple els routers) i el compromís. És a dir, camins subòptims.
·La convergència dels algoritmes, que han de permetre descobrir un camí òptim en un temps finit i mínim.
·La robustesa; s’ha de poder evitar els forats negres, és a dir, que els paquets es perden pel camí degut a problemes d’encaminament. S’ha de evitar bucles infinits i també evitar oscil·lacions.
Podem concloure dient que els protocols d’encaminament han d’arribar a un compromís entre tots aquets requisits.
2.3. Cost i mètriques COST: Els costos els dividim en dos: Els cost d’un enllaç i el cost d’un camí. Els cost d’un enllaç ve donat pel valor numèric relacionat amb la conveniència d’emprar un determinat enllaç. També podem determinar-lo en base a diferents criteris: El ample de base de l’enllaç que utilitzi, la congestió a l’entrada o a la sortida de l’enllaç i el cost econòmic que tindria aquest.
El cost d’un camí seria la suma dels costos dels enllaços que dormen un camí. En la fotografia podem observar que seria el llarg de un camí, el qual conte enllaços. Sempre es busca el camí de menor cost.
Els costos poden ser: Estàtics o Dinàmics. L’elecció de un d’ells ve condicionada a la distribució de tràfic sobre la xarxa (Enginyeria de trànsit).
Sempre busquem el menor cost d’un enllaç, ja que serà més probable que s’enviï tràfic a través seu. Si un enllaç està carregat, interessa assignar-hi un cost alt per evitar sobrecarregar-lo.
MÈTRICA ESTÀTICA: El cas més senzill que tenim de la mètrica seria assignar a tots els enllaços un cost 1. És a dir, el camí més curt és el que conté menys enllaços. Per exemple: Si assignem cost 1 a tots els enllaços, podem observar que el millor camí de C a B és l’enllaç C -> B, i el pitjor enllaç seria passant per D o per A. El que passa és que de C-B serà més lent que anant de C-> D i de D-> B.
  11   02/01/2015   Una alternativa a aquest cas senzill seria assignar major cost als enllaços més lents, com podem veure a la fotografia anterior i comparant amb la anterior, en l’enllaç E1-> 10 i l’enllaç E3 -> 1. Ara el millor camí de C a B seria C->A i A->B, ja que el cost dels enllaços utilitzats es menor que els altres.
MÈTRICA DINÀMICA: Les condicions de tràfic poden variar amb el temps, com el seu nom indica son dinàmiques. En un moment donat, un enllaç pot estar congestionat. Per exemple: si s’escull l’enllaç amb molta freqüència. Una solució a aquest problema seria la mètrica dinàmica que permeti modificar l’assignació de costos en qualsevol instant de temps.
2.4.
Encaminament a Internet (ACABAAAAAR!!!!) 2.5. Algoritme de Dijkstra L’algoritme de Dijkstra, o també anomenat algoritme de camins mínims, és un algortme per determinar el camí més curt donat un vèrtex d’origen i els altres vèrtex en un “graf” (explicat més a baix) amb peses a cada aresta. La idea subjacent en aquest algorisme consisteix en anar explorant tots els camins més curts que parteixen del vèrtex origen i que porten a tots els altres vèrtexs; quan s'obté el camí més curt des del vèrtex origen, a la resta de vèrtexs que componen el graf, l'algorisme s'atura.
L'algorisme és una especialització de la recerca de cost uniforme, i com a tal, no funciona en grafs amb arestes de cost negatiu (al triar sempre el node amb distància menor, poden quedar exclosos de la recerca nodes que en properes iteracions baixarien el cost general del camí al passar per una aresta amb cost negatiu).
És a dir, permet calcular el camí de menor cost d’un origen a tots els nodes d’una xarxa. S’utilitza en protocols d’encaminament d’estat de l’enllaç. Per a això és necessita conèixer tots els nodes de la xarxa i les seves connexions.
També em de conèixer els costos de tots els enllaços.
Descrivim la xarxa com GRAF connectat G(V,E); és el conjunt de nodes i enllaços amb costos (no negatius).
  12   02/01/2015   A partir de la informació que podem extreure del graf, podem escriure una matriu de costos que anomenem C.
Per exemple, tenim el graf següent, i al costat d’aquest la matriu de costos C que tindria: Trobem que tenim varies definicions importants a tenir en conte: S – node origen M- conjunt de nodes “trobats” o “marcats”.
Dk- cost del camí entre s i node k.
L’algortme de Dijkstra conta de 3 passos, el segon i el tercer es repeteixen fins que tots els nodes han estat “marcats”: Pas 1: Inici: Comencem des de el node s, un cop sabem que estem al origen s passa a ser M: M={s}, i “marquem” el node origen. En aquest mateix primer pas Dk =Csk ∀ k ∈ V, és a dir, el cost incial entre s i cada node s’extrau de C.
Pas 2: Obtenció del següent node (triem el node amb menor distància a s i el posem a M). És a dir, triem un node que l’anomenarem k tal que j no pertanyi a M (ja que M és els nodes que ja hem passat) i a l’hora que Dj = mínim Di ∀ i ∄ M. És a dir que la Distància j sigui igual a la distància mínima de i, que pertanyi a i i que no hagi passat per M. A continuació incorporem j al conjunt de M de nodes “marcats”.
Pas 3:Actualització de camins de cost mínim (triem el camí antic, o bé el que passa per j).
A continuació tenim un exemple de Algoritme de Dijkstra: Recordem que s és el node origen i que n és el node “marcat”.
Anant seguint els passos:   13   02/01/2015     14   02/01/2015   3. Conclusions • Adreçament Diferents tipus de xarxes: XTC, LAN, IP DHCP NAT DNS • Encaminament Encaminament a Internet: Vector distància i estat de l’enllaç • Connexió amb les assignatures Arquitectura i Protocols d’Internet (2B)   15   ...