Esercizio - pacchetti ARP e IP con router e con switch

Testo. Le interfacce sono indicate con le lettere $A,B,C,D$; $\text{IP-}x$ e $\text{MAC-}x$ sono gli indirizzi IP e MAC dell'interfaccia $x$.

• Esercizio 19. La rete $eth_0$ contiene l'host $A$ e l'interfaccia $B$ di un router; la rete $eth_1$ contiene l'interfaccia $C$ del router e l'host $D$. Le tabelle ARP di $A$, $D$ e del router sono vuote. $A$ deve inviare un pacchetto IP a $\text{IP-}D$; $D$ deve rispondere con un pacchetto ad $A$. Disegnare i pacchetti inviati da ogni host in ciascun collegamento, specificando gli indirizzi MAC e IP di ogni pacchetto.
• Esercizio 20. Ripetere l'esercizio 19 sostituendo il router con uno switch di livello 2.

Teoria usata: Protocollo ARPUn host ha tre «nomi»: nome DNS, indirizzo IP (rete) e indirizzo MAC (collegamento). Per spedire un datagramma IP in un frame serve il MAC del prossimo nodo, che si ottiene da quel nodo con ARP: richiesta in broadcast (MAC destinazione FF:FF:FF:FF:FF:FF, contiene IP e MAC del mittente e l'IP cercato) e risposta unicast con il MAC richiesto, memorizzata nella cache ARP. ARP risolve sempre il prossimo salto (host di destinazione o router), non la destinazione finale. Un broadcast non esce dalla sottorete: il proxy ARP del router risponde con il proprio MAC.Protocollo ARP →, Instradamento e inoltroL'inoltro (forwarding) mette il pacchetto sulla strada verso la destinazione, un salto alla volta (hop by hop). Se la destinazione è nella stessa rete del mittente l'inoltro è diretto (si usa l'ARP per il MAC del destinatario), altrimenti è indiretto: il pacchetto va al router successivo (next hop) indicato dalla tabella di instradamento, o al default gateway. Con le netmask: l'inoltro è diretto attraverso l'interfaccia $x$ se $\text{IP(dst)}\ \text{AND}\ \text{NM}(x)=\text{IP}(x)\ \text{AND}\ \text{NM}(x)$; altrimenti si scorre la tabella dalla maschera più lunga (longest prefix match) e si usa il primo match. La riga con rete $0.0.0.0$ e maschera $0.0.0.0$ (default route) corrisponde sempre. L'aggregazione di rotte (route aggregation) riduce la tabella, e nell'inoltro con etichette (MPLS) la tabella si consulta per indice.Instradamento e inoltro → (inoltro diretto e indiretto, default gateway), LAN - Ethernet e Wi-FiUna LAN copre un'area limitata ed è definita dalla famiglia IEEE 802.x (802.3 Ethernet, 802.11 Wi-Fi), che divide il livello di collegamento in LLC e MAC. Ethernet è senza connessione, senza controllo di flusso e senza ACK; usa CSMA/CD 1-persistent; il frame va da 64 a 1518 byte (indirizzi di 6 byte, tipo/lunghezza, dati 46-1500, CRC di 4) e il minimo di 64 B deriva da $t_F\ge2\tau_p$. Dal 10 Mbit/s a coassiale fino al 10 Gbit/s su fibra, con switch full-duplex che eliminano le collisioni. Il Wi-Fi (802.11) usa CSMA/CA, ha i modi BSS (con access point) e ad hoc, EBSS con sistema di distribuzione; adatta il bitrate all'SNR; ha problemi del terminale nascosto e del terminale esposto, risolti in parte da RTS/CTS e NAV.LAN - Ethernet e Wi-Fi → (inoltro dello switch).

Idee di base

• Un host mette nel frame un indirizzo MAC di destinazione che è quello del prossimo salto sulla stessa rete: se la destinazione IP è nella sua rete, il MAC della destinazione; altrimenti il MAC del default gateway.
• L'indirizzo IP sorgente/destinazione del pacchetto non cambia da un capo all'altro; gli indirizzi MAC cambiano a ogni collegamento (a ogni router).
• Per conoscere il MAC corrispondente a un IP della stessa rete si usa ARP: una richiesta (ARP request) in broadcast a livello 2 (MAC di destinazione "tutti"), una risposta (ARP reply) in unicast. La richiesta contiene già IP e MAC di chi la invia: chi la riceve può così imparare il MAC del mittente senza un'altra richiesta.
• Il router ha una interfaccia (con IP e MAC propri) per ogni rete. Lo switch invece non ha né IP né, di fatto, MAC da usare come destinazione dei frame: li inoltra imparando in quale porta si trova ciascun MAC.

Esercizio 19: con il router

$A$ e $D$ stanno su reti IP diverse ($eth_0$ ed $eth_1$): serve un inoltro indiretto, e $A$ usa il router come gateway (il cui $\text{IP-}B$ $A$ conosce, per esempio da DHCP: Protocollo DHCPDopo che a un'organizzazione è stato assegnato un blocco di indirizzi, configurare a mano IP e netmask di ogni host non è efficiente. BOOTP (obsoleto) associa in modo statico un indirizzo MAC a un indirizzo IP; DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) assegna gli indirizzi in modo dinamico, a prestito (lease) per un tempo limitato, anche a sistema operativo già avviato. Il dialogo client-server è su UDP (porta 67 server, 68 client) e usa quattro messaggi: DHCPDISCOVER, DHCPOFFER, DHCPREQUEST, DHCPACK (più DHCPRELEASE a fine uso). Nell'ACK arrivano IP, netmask, default gateway e server DNS.Protocollo DHCP →). Come $A$ capisce che $D$ è in un'altra rete: calcola $\text{IP-}D\ \text{AND}\ \text{maschera}_A$ e lo confronta con l'indirizzo della propria rete (appartenenza a una reteun indirizzo appartiene a una rete se AND con la maschera dà l'indirizzo di reteLivello di rete e indirizzamento IP →); essendo diversi, il pacchetto va al gateway, e l'ARP (che funziona solo sul collegamento locale) deve chiedere il MAC del gateway e non quello di $D$: $D$ non risponderebbe mai a un broadcast di $eth_0$.

Fase 1: da $A$ al router (rete $eth_0$).

1. $A$ non conosce $\text{MAC-}B$. ARP request in broadcast: livello 2: sorgente $\text{MAC-}A$, destinazione broadcast; livello ARP: "chi ha $\text{IP-}B$? (mittente $\text{IP-}A$, $\text{MAC-}A$)".
2. ARP reply da $B$: livello 2: sorgente $\text{MAC-}B$, destinazione $\text{MAC-}A$; livello ARP: $\text{IP-}B$ è $\text{MAC-}B$. (Il router ha anche imparato $\text{MAC-}A$ dalla richiesta.)
3. Pacchetto $A\to D$ su $eth_0$: livello 2: sorgente $\text{MAC-}A$, destinazione $\text{MAC-}B$; livello 3: sorgente $\text{IP-}A$, destinazione $\text{IP-}D$.

Fase 2: dal router a $D$ (rete $eth_1$). Il router trova $\text{IP-}D$ nella rete della sua interfaccia $C$ (inoltro diretto), ma non conosce $\text{MAC-}D$.

4. ARP request in broadcast su $eth_1$: livello 2: sorgente $\text{MAC-}C$, destinazione broadcast; ARP: "chi ha $\text{IP-}D$? (mittente $\text{IP-}C$, $\text{MAC-}C$)".
5. ARP reply: sorgente $\text{MAC-}D$, destinazione $\text{MAC-}C$; $\text{IP-}D$ è $\text{MAC-}D$. ($D$ ha imparato $\text{MAC-}C$.)
6. Pacchetto $A\to D$ su $eth_1$: livello 2: sorgente $\text{MAC-}C$, destinazione $\text{MAC-}D$; livello 3: sempre sorgente $\text{IP-}A$, destinazione $\text{IP-}D$.

Fase 3: la risposta di $D$ verso $A$. $D$ ha $\text{IP-}A$ fuori dalla sua rete: usa il gateway $C$, il cui MAC ha già imparato dalla richiesta del punto 4: nessun ARP.

7. Pacchetto $D\to A$ su $eth_1$: livello 2: sorgente $\text{MAC-}D$, destinazione $\text{MAC-}C$; livello 3: sorgente $\text{IP-}D$, destinazione $\text{IP-}A$.
8. Il router inoltra su $eth_0$; conosce già $\text{MAC-}A$ (dalla richiesta del punto 1): livello 2: sorgente $\text{MAC-}B$, destinazione $\text{MAC-}A$; livello 3: sorgente $\text{IP-}D$, destinazione $\text{IP-}A$.

Il router, inoltrando, diminuisce il TTL di $1$ e ricalcola il checksum dell'intestazione IP (Datagramma IP e frammentazioneIPv4 è un servizio senza connessione, non affidabile, best effort: i pacchetti (datagrammi) possono essere persi, corrotti, riordinati o ritardati. L'intestazione ha 20-60 byte (HLen conta parole da 4 byte, da 5 a 15); il campo Total Length (16 bit) dà la lunghezza totale fino a 65 535 byte; TTL limita i salti, Protocol identifica il protocollo trasportato (1 ICMP, 6 TCP, 17 UDP), il checksum copre solo l'intestazione. Se un datagramma è più grande dell'MTU del collegamento viene frammentato: solo il payload si divide, ogni frammento ha un'intestazione propria; l'Offset (13 bit) è in unità di 8 byte, MF=1 in tutti i frammenti tranne l'ultimo, e il riassemblaggio avviene solo a destinazione.Datagramma IP e frammentazione →), ma non cambia gli indirizzi IP.

Esercizio 20: con lo switch

Ora $A$ e $D$ sono nella stessa rete IP: inoltro diretto, nessun gateway. I punti $B$ e $C$ sono porte dello switch, senza indirizzi IP.

1. $A$ vuole il MAC di $D$: ARP request in broadcast: sorgente $\text{MAC-}A$, destinazione broadcast; ARP: "chi ha $\text{IP-}D$?". Lo switch inoltra i broadcast su tutte le porte (non c'è un MAC destinazione da imparare): la richiesta arriva a $D$ e anche agli altri host. Intanto impara che $\text{MAC-}A$ sta dalla parte di $A$.
2. $D$ risponde in unicast: sorgente $\text{MAC-}D$, destinazione $\text{MAC-}A$; ARP: $\text{IP-}D$ è $\text{MAC-}D$. Lo switch inoltra solo verso la porta di $A$ e impara dove sta $\text{MAC-}D$.
3. Pacchetto $A\to D$: sorgente $\text{MAC-}A$, destinazione $\text{MAC-}D$; sorgente $\text{IP-}A$, destinazione $\text{IP-}D$. È lo stesso frame su entrambi i lati dello switch: nulla viene riscritto.
4. $D$ risponde: conosce già $\text{MAC-}A$ (dalla richiesta): frame con sorgente $\text{MAC-}D$, destinazione $\text{MAC-}A$; IP sorgente $\text{IP-}D$, destinazione $\text{IP-}A$; lo switch lo inoltra solo verso la porta di $A$.

Come lo switch decide le porte (Elementi di rete - hub, switch e routerI dispositivi che interconnettono le reti si distinguono per il livello della pila che arrivano a leggere. Hub (livello 1): ripetitore, rigenera il segnale e lo manda su tutte le porte, tutte le stazioni condividono la capacità. Bridge e switch (livello 2): leggono l'indirizzo MAC e inoltrano solo verso la porta giusta, imparando la tabella (FDB) dagli indirizzi sorgente. Router (livello 3): leggono l'indirizzo IP e collegano reti indipendenti (internetwork). Switch e bridge isolano il traffico e sono plug and play; il router fa instradamento ottimo ma va configurato.Elementi di rete - hub, switch e router →). Ha una tabella (MAC $\to$ porta) che riempie leggendo il MAC sorgente di ogni frame che passa: dopo la richiesta ARP sa che $\text{MAC-}A$ è dal lato di $A$, dopo la risposta che $\text{MAC-}D$ è dal lato di $D$. Per un frame con destinazione sconosciuta o broadcast fa flooding su tutte le porte tranne quella di arrivo; con destinazione nota lo manda solo sulla porta giusta. Quindi la richiesta ARP (broadcast) arriva a tutti, mentre risposta e dati viaggiano solo tra $A$ e $D$. Conteggio dei frame visti da $A$ e $D$: $4$ (richiesta, risposta, dati, risposta dati), contro gli $8$ dell'esercizio 19 ($4$ per ciascun collegamento).

Confronto. Con il router i MAC cambiano a ogni collegamento (due coppie diverse) e servono due scambi ARP, uno per rete; con lo switch c'è un solo scambio ARP, gli indirizzi MAC sono sempre $\text{MAC-}A$/$\text{MAC-}D$ e il frame non viene riscritto. Gli indirizzi IP non cambiano mai.

Confronto con la soluzione ufficiale

Coincide: ARP request/reply $A\leftrightarrow B$, pacchetto $A\to D$ con $\text{MAC-}A\to\text{MAC-}B$, ARP request/reply $C\leftrightarrow D$, pacchetto con $\text{MAC-}C\to\text{MAC-}D$; risposta $\text{MAC-}D\to\text{MAC-}C$ e poi $\text{MAC-}B\to\text{MAC-}A$ con IP $\text{IP-}D\to\text{IP-}A$; per lo switch un solo ARP $A\leftrightarrow D$ e frame con $\text{MAC-}A\leftrightarrow\text{MAC-}D$. La soluzione ufficiale non mostra un ARP per la risposta: ciò richiede che $D$ e il router abbiano imparato il MAC del mittente dalla richiesta ARP, come assunto sopra.

Errori comuni

• Cambiare gli indirizzi IP al passaggio del router: cambiano solo i MAC.
• Usare come MAC di destinazione di $A$ quello di $D$ (con il router): il frame va al gateway.
• Dimenticare che l'ARP request è in broadcast (MAC destinazione tutti $1$) e la reply in unicast.
• Attribuire indirizzi IP o MAC allo switch.