IPv4 (Internet protocol)

La versió més emprada actualment del protocol IP és la IPv4, deﬁnida en l’RFC 791 del 1981. Actualment ja disposa d’un successor, la IPv6, l’ús de la qual es va estenent progressivament. Totes les versions del protocol IP permeten l’enviament de paquets entre equips sense connexió. Això vol dir que l’ordinador amﬁtrió origen envia dades al destinatari sense esperar cap mena de notiﬁcació que les dades s’han rebut correctament.

Avui dia, el TCP/IP és el conjunt de protocols escollit per a la immensa majoria de les xarxes actuals i, per descomptat, per a qualsevol sistema que es vulgui connectar a Internet. Tot i que per enviar dades entre dos ordinadors amﬁtrions ja n’hi ha prou amb el protocol IP, no ofereix cap mena de garantia que s’enviïn correctament les dades o, ni tan sols, que arribin a la destinació. De fet, no ens garanteix que les dades, si arriben a la destinació, estiguin intactes, ja que el control d’errors només es fa sobre les capçaleres, no sobre les dades que transmet. Així doncs, tot i que es pot fer servir IP directament, per a aplicacions que requereixen ﬁabilitat fan servir al protocol de la capa de transport TCP.

L’adreça IP

És la responsable que la vostra màquina sigui trobada a la xarxa. Aquesta adreça ha de ser única per a cada ordinador de internet*, ja que si n’hi hagués més d’una màquina amb la mateixa adreça, entrarien en conﬂicte i cap d’elles no podria rebre informació. Aquest fet podria provocar un mal funcionament de tota la xarxa i això cal evitar-ho.

Teòricament l'adreça ha de ser única però degut el gran creixement de Internet, això no és del tot exacte. De moment, però pensarem que les adreces són úniques i exclusives per cada equip i ja veurem més endavant, com aquest fet s'ha modificat (amb NAT). Per una bona comprensió, necessitam estudiar en detall la capa de transport.

L’adreça ipv4 està composta per 32 bits agrupats en grups de 8 bits que formen 4 octets (un octet o byte està format per l’agrupació de vuit bits). Quan llegiu una adreça IP, trobareu quatre grups de vuit bits cadascun.

La notació decimal i binària

La notació decimal, en base 10, és aquella amb què tots esteu acostumats a treballar des de petits. Cal tenir en compte que es comença a comptar pel 0. El fet que una adreça IP estigui formada per bits genera un problema en les persones que no estan acostumades a treballar en sistema binari és a dir, utilitzant bits. Per aquesta raó, les adreces IP també s’expressen en notació decimal, que és la que esteu acostumats a utilitzar i fàcil de comprendre.

Com serà el valor màxim en cada grup de 8 bits? En binari 11111111, que correspon en decimal a: 255.

Quan utilitzeu base 10, comprovareu que una adreça IP està formada per quatre grups de nombres separats per un punt com per exemple 192.168.1.15, 99.23.0.12, 241.43.0.56

És vital per aquest curs saber canviar de sistema de numeració, tant de binari a decimal com de decimal a binari. Per fer el canvi d’un sistema de numeració a l’altre, agafareu un octet i el transformareu, a continuació agafareu un altre octet i també el transformareu, i ho fareu així ﬁns a tenir els quatre octets transformats.

192.168.34.6 11000000.10101000.00100010.00000110

Els noms i les IPs

Per poder accedir a internet mitjançant noms i no haver de recordar les ips s'ha ideat DNS, el sistema que s’encarrega de traduir les adreces de noms a IP (Domain Name System o DNS)

Quan un usuari comença a navegar per Internet, indica al navegador el nom de la pàgina web a la qual vol accedir, per exemple, google.com. Es consulta al servidor DNS a quina Ip correspon el host o domini anterior –que seria 216.58.214.174– i, un cop es té aquesta dada, es fa la petició a la IP (indicant el domini).

Adreçament IP

L’adreçament IP es fa servir per poder identiﬁcar ordinadors i d’altres dispositius. Aquest es basa, per una banda, en la pròpia direcció del equip que l’identiﬁca quan es comunica amb la resta d’equips i la màscara de xarxa que permet saber si un altre equip amb el que ens hem de comunicar esta dins de la mateixa xarxa o bé cal fer ús d’algun encaminador per tal de d’establir-hi una comunicació. En el cas que la direcció amb la qual ens haguem de comunicar no estigui directament connectat al equip, caldrà consultar la taula de rutes. En aquesta taula hi constaran les xarxes per les quals haguem de passar per algun encaminador en concret i ﬁnalment una entrada amb el nostre encaminador per defecte.

Tipus d’adreçament. En l’RFC 1918 del 1996 es deﬁneixen els conjunts sobre el total d’adreces IPv4 que es destinen a la creació de xarxes privades, com pot ser la xarxa interna d’una empresa que no necessita que es pugui accedir als equips directament des d’Internet.

Els rangs deﬁnits com a privats són els següents:

• El bloc que va de la IP 10.0.0.0 a la 10.255.255.255

• El bloc que va de la IP 172.16.0.0 a la 172.31.255.255

• El bloc que va de la IP 192.168.0.0 a la 192.168.255.255

En l’RFC 3330 del 2002 es va deﬁnir un altre rang que es pot considerar privat i que s’anomena d’autoconﬁguració (o d’enllaç local). Aquest rang va de la IP 169.254.0.0 a la 169.254.255.255. S’anomena d’autoconﬁguració perquè, en cas que un equip que es vulgui connectar a la xarxa sol·licitant una IP mitjançant el protocol DHCP no obtingui resposta, s’autoassigna una IP aleatòria dintre d’aquest rang per obtenir un accés mínim a la xarxa. A més, les adreces que van des del 127.0.0.0 al 127.255.255.255 estan reservades per referir-se al propi equip i no es poden assignar a cap equip en concret.

Assignació estàtica

Quan les adreces IP s’assignen estàticament, cadascun dels dispositius s’ha de conﬁgurar amb una adreça IP fixa que no canvia “mai”. De fet, aquest mètode requereix guardar registres de les assignacions d’adreces, atès que podrien aparèixer problemes dins d’una xarxa en cas d’utilitzar adreces IP duplicades. Des del punt de vista de la xarxa, hi ha diversos dispositius que han de tenir assignada d’una manera permanent (o estàtica) una adreça IP, ja que alguns dispositius hi han de fer referència. En cas que dispositius com impressores en xarxa, servidors d’aplicacions o encaminadors no disposin d’una adreça IP estàtica, la xarxa s’ha de conﬁgurar de nou en tot moment.

Assignació dinàmica

En aquest cas hi ha un servidor o dispositiu que assigna IP als equips així com es van connectant. Tenint en compte que dins d’una xarxa hi ha un ventall d’adreces que ja estan assignades, la resta s’han d’assignar, per exemple, a les màquines que s’hi connectin. Amb tot, depenent de les dimensions de la xarxa, el nombre d’adreces disponibles pot ser limitat. Per això es va trobar el mètode d’assignació dinàmica d’adreces IP, perquè es connectin intermitentment a la xarxa. Aquest servei d’atorgament de les adreces IP que, en el moment de la connexió, estiguin lliures permet evitar la feina de conﬁguració a l’administrador de la xarxa.

Per a l’assignació dinàmica de les adreces IP es va crear el servei DHCP .

L'ICMP

És un protocol de la capa de xarxa que complementa el protocol IP per a tasques de control i notiﬁcació d’errors. Està deﬁnit en l’RFC 792 com a complement imprescindible del protocol IP. Malgrat que aquest protocol no està concebut perquè hi hagi aplicacions que el facin servir, n’hi ha algunes com ping i traceroute que l’utilitzen, principalment com a eines de diagnostic de la xarxa.

Mitjançant l’ordre ping es pot comprovar si hi ha connectivitat entre dos equips diferents mitjançant paquets ICMP. L’ordinador amﬁtrió que executa l’ordre ping envia una petició d’eco (echo request) i l’equip que la rep ha de contestar amb una resposta d’eco (echo reply). Sovint s’utilitza el temps que es tarda des que s’envia la petició ﬁns que es rep la resposta per mesurar latències de xarxa, per això algunes vegades el terme ping es pot referir a aquest retard.

L’ordre traceroute (linux) tracert (windows) ens permet, dintre d’unes certes limitacions, descobrir la ruta que segueix un paquet IP des de l’equip origen ﬁns al de destinació. Per fer-ho s’utilitza el camp TTL dels paquets IP, el qual indica el nombre de salts que li resten abans que es descarti el paquet. Si s’envia un paquet amb un TTL d’1, el primer encaminador descartarà el paquet i enviarà un paquet ICMP de tipus temps esgotat (time exceeded) a l’ordinador amﬁtrió que ha originat el paquet amb la IP de l’encaminador que l’ha descartat i ha originat el missatge ICMP. Si es repeteix l’operació amb un 2 obtindrem el següent, i així successivament.

Tot i això, alguns encaminadors poden no enviar aquest missatge ICMP i només descartar el paquet; per tant, si no s’ha rebut la resposta en un cert temps es marca l’encaminador amb un asterisc. De totes maneres, és possible que hi hagi encaminadors que no puguem descobrir perquè no modiﬁquen el TTL del paquet i, per tant, les dades passen silenciosament a través seu.

ARP

El protocol ARP s’encarrega de resoldre l’adreça de la capa d’enllaç a partir de l’adreça de la capa de xarxa. En el cas típic ens trobaríem amb una xarxa IP sobre una xarxa Ethernet i, per tant, el protocol ARP ens resoldria l’adreça MAC a partir de l’adreça IP. Per fer això, la màquina que vol saber l’adreça MAC que té una certa IP envia un paquet de tipus petició ARP (ARP request) a l’adreça de multidifusió de la capa d’enllaç i espera que la màquina que té la IP o qualsevol altra li respongui mitjançant un paquet de resposta ARP (ARP response). Un cop obtinguda la resposta, s’emmagatzema, durant un cert temps, en una taula local de cada sistema: això evita que cada vegada que es vulgui enviar un paquet s’hagi de tornar a demanar la mateixa informació. Aquesta taula ARP s’esborra periòdicament per evitar que si una IP s’assigna a un altre equip els paquets es continuïn enviant a l’equip antic.

Hi ha un tipus d’adreça MAC especial que tots els dispositius d’una xarxa LAN utilitzen per comunicar-se d’una manera simultània. Aquesta adreça s’anomena adreça de difusió i es representa FF-FF-FF-FF-FF-FF.

Fes una llista de totes les adreçes que no es poden emprar directament a internet.

Encapçalament IP

Tota la informació que es vol transmetre s’ha d’empaquetar en datagrames, unitats que es transmetran per la xarxa. Perquè arribin a la destinació, cal empaquetar la informació mitjançant el protocol IP, el qual hi afegeix uns camps de control anomenats encapçalaments que contenen tota la informació de la màquina d’origen i de destinació.

Un dels camps més importants a l’hora de transmetre la informació per Internet és l’encapçalament IP: el protocol hi afegeix una sèrie de dades importants perquè pugui circular per la xarxa i arribar a la destinació. Com veiem en la ﬁgura, l’encapçalament IP està format per diferents camps entre els que es destaquen:

• Versió: és un camp de quatre bits que indica la versió del protocol. Per paquets IPv4 es faria servir el valor 4 i de la mateixa manera seria el 6 si el paquet és IPv6.

• Tipus de servei (type of service): especiﬁca la qualitat de servei desitjada per aquest paquet, utilitzant 8 bits (ﬁgura 4.2).

Signiﬁcat dels bits D = 1 Poc retard T = 1 Cabal alt R = 1 Fiabilitat alta M = 1 Cost econòmic baix

• Temps de vida o TTL (Time To Live): aquest camp determina el temps de vida del paquet o, dit d’una altra manera, els salts (passos per encaminadors) que pot fer un paquet. Cada vegada que travessa un encaminador, el valor que hi ha en aquest camp es decrementa en una unitat. Aquest camp és necessari perquè no quedin paquets voltant per la xarxa sense trobar la destinació.

• Protocol: indica quin protocol de capa superior ha generat el paquet. Els protocols que pot utilitzar són els que es poden veure en la taula

Alguns codis dels protocols que pot encapsular el protocol IP

• Suma de veriﬁcació d’encapçalament (header checksum): bits de control per saber si existeix algun error de transmissió en l’encapçalament del paquet IP.

• Adreça d’origen (source address): especiﬁca l’adreça de la màquina que ha generat el paquet.

• Adreça de destinació (destination address): especiﬁca l’adreça de la màquina a la qual es volen enviar les dades.

• Opcions i farciment (options and padding): les opcions, si n’hi ha, permeten que admeti seguretat, o longitud variable. En el farciment s’hi afegeix zeros perquè l’encapçalament sigui múltiple de 32 bits.

Després d’aquest encapçalament es troben les dades que es volen transmetre.

Classes d’adreça IPv4

L’adreça IP és un nombre de 32 bits que identiﬁca cada una de les màquines que estan connectades a Internet o a qualsevol xarxa, i també la xarxa a la qual estan connectades. Una part de l’adreça IP, segons la seva màscara de xarxa, serveix per identiﬁcar la xarxa, sent el tros restant de la direcció IP la que identiﬁca la màquina.

Per poder separar el camp que identiﬁca la xarxa del camp que identiﬁca la màquina, s’ha d’aplicar una màscara de xarxa; aplicant la operació lògica AND entre la màscara de xarxa i l’adreça IP s’obté la xarxa. Recordau que la notació de l’adreça IP són quatre xifres menors o iguals a 255 separades per punts. Per poder calcular l’adreça de xarxa caldrà passar les quatre xifres de forma independent a binari. Per exemple l’adreça 192.168.2.23 en binari seria:

192.168.2.23(10 = 11000000.10101000.00000010.00010111(2

La màscara de xarxa resulta molt més simple ja que sempre seran un conjunt de uns al principi i en algun punt canviaran a zeros:

255.255.0.0(10 = 11111111.11111111.00000000.00000000(2

IP dividida en xarxa i ordinador

Els valors possibles de la màscara de xarxa són els que es mostren a la taula següent.

Aplicant l’operació lògica AND, s’obté el següent resultat:

Il·lustració 1: Valors possibles de la màscara de xarxa

11000000.10101000.00000010.00010111 ^ 11111111.11111111.00000000.00000000 = 11000000.10101000.00000000.00000000

D’aquest resultat s’obté l’adreça de xarxa, en binari 11000000.10101000.00000000.00000000, és a dir, 192.168.0.0 en decimal. Per tant, el valor dels dos últims octets és l’identiﬁcador de l’equip.

Depenent de la quantitat de bits que s’utilitzin per identiﬁcar la xarxa, es classiﬁca dintre d’un tipus o d’una altra.

Hi ha tres classes principals d’adreces IP:

• Adreça de classe A: el primer octet identiﬁca la xarxa. Ha de ser zero.

• Adreça de classe B: els dos primers octets identiﬁquen la xarxa. Ha de ser 10 en binari.

• Adreça de classe C: els tres primers octets identiﬁquen la xarxa. Han de ser 110 en binari. A més de dues classes addicionals que es tracten per separat:

• Adreça de classe D: Es tracta d’un conjunt d’adreces reservades per multidifusió.

• Adreça de classe E: Es tracta d’una classe reservada.

Adreça de classe A

En una adreça de classe A el primer octet identiﬁca la xarxa i el bit que pesa més sempre té el valor de 0. Els 7 bits següents identiﬁquen la xarxa, i la resta de bits -és a dir, 24- identiﬁquen les màquines connectades. Aquesta combinació fa que la primera xarxa sigui la 0.0.0.0 i l’última, la 127.255.255.255.

Si teniu l’adreça IP 68.127.23.4 i voleu comprovar de quin tipus d’adreça es tracta, només cal agafar el primer octet, en aquest cas el 68, i fer la conversió a binari

En aquest tipus d’adreces cada una de les xarxes tenen poques xarxes i molts ordinadors, concretament es poden implementar 128 xarxes i connectar-hi uns 16 milions d’ordinadors a cada una de les xarxes.

Adreça de classe A

Adreça de classe B

En una adreça de classe B els dos primer octets codiﬁquen les xarxes i del nombre total d’octets els dos que pesen més sempre valen 10. Els 14 bits següents també s’utilitzen per identiﬁcar la xarxa. En aquest tipus d’adreça es fan servir 16 bits per identiﬁcar les màquines connectades. Aquesta combinació fa que la primera xarxa de classe B tingui el valor 128.0.0.0 i l’última adreça de classe B tingui el valor de 191.255.255.255. El fet d’utilitzar adreces de classe B comporta que hi hagi més xarxes que amb una adreça de classe A, però per contra, cada adreça de classe B accepta menys màquines connectades, concretament es poden implementar 16.384 xarxes i connectar-hi uns 65.000 ordinadors a cada una.

Adreça de classe B

Un exemple d’adreça de classe B podria ser la IP 185.23.145.233. Si no esteu segurs que sigui una adreça de classe B, només cal que seguiu els mateixos passos que abans agafeu el primer camp i comenceu la transformació a binari i comprovar que en binari l'adreça comença per 10.

Adreça de classe C

En una adreça de classe C s’utilitzen els tres primers octets per identiﬁcar les xarxes i es dedica l’últim a la identiﬁcació d’ordinador. Els tres bits que pesen més de l’identiﬁcador de xarxa sempre tindran per valor el 110: la primera xarxa de classe C que es pot implementar tindrà l’adreça IP 192.0.0.0 i l’última serà la 223.255.255.255. Aquest valor indica que es poden implementar moltes xarxes a les adreces de classe C, però també que es poden connectar poques màquines a cada xarxa, concretament es poden implementar uns dos milions de xarxes i connectar-hi uns 256 ordinadors a cada una.

Adreça de classe C

Adreça de classe D

L’adreça de classe D es va crear per permetre difusió selectiva o multicast en una adreça IP. Una adreça de difusió selectiva és una adreça exclusiva de xarxa que dirigeix els paquets amb aquesta direcció de destinació cap a grups predeﬁnits d’adreces IP. Per tant, una sola estació pot transmetre simultàniament un sol corrent de dades a múltiples receptors. L’adreça de classe D es pot diferenciar de les altres gràcies als quatre bits de més pes, que en una adreça d’aquesta classe valen sempre 1110 i, per tant, són adreces de xarxa que comencen en el nombre 224.0.0.0 i acaben en el nombre 239.255.255.255. Aquesta adreça utilitza els 28 bits restants com a adreça de difusió selectiva. L’adreça de classe D no té cap octet dedicat a la xarxa ni cap de dedicat a l’identiﬁcador d’ordinador perquè és una adreça de difusió selectiva.

Adreça de classe D

Adreça de classe E

Les adreces de classe E són adreces IP que s’han reservat per a usos futurs. Normalment l’IEFF (Comitè d’Experts en Enginyeria d’Internet o Internet Engineering Task Force) les fa servir per investigar i, per tant, no s’ha donat cap adreça de classe E per poder-la utilitzar a Internet. De totes maneres, s’identiﬁcarà una adreça de classe E de la mateixa manera que s’identiﬁquen les altres: per mitjà dels bits que pesen més. En el cas de l’adreça de classe E, els cinc primers bits que pesen més tenen un valor ﬁx: 11110. Tenint en compte que aquests bits no poden variar les adreces IP de classe E, van de l’adreça 240.0.0.0 ﬁns a l’adreça 247.255.255.255, i els 27 bits restants estan reservats.

Adreça de classe E

CIDR (encaminament sense classe)

Amb la ràpida expansió d’Internet va quedar clar que l’encaminament basat en classes no era suﬁcient, és per això que l’any 1993 es va proposar la CIDR (classless inter-domain routing) que vol dir encaminament entre dominis sense classe. Gràcies a aquest sistema es millora el mètode amb el que s’interpreten les adreces IP a més de com s’encaminen els paquets. En lloc de parlar de classes es fa servir el nombre de bits a 1 de la màscara de xarxa per tal d’indicar la xarxa.

Les classes A, B i C tindrien una màscara de xarxa amb 8, 16 i 24 bits a 1 respectivament. Per exemple, per tal de deﬁnir la xarxa que va del 192.168.0.0 a la 192.168.255.255 (seria una classe B) indiquem la IP i amb un barra els 16 bits a 1 de la màscara de xarxa. Per tant la notació seria: 192.168.0.0/16 Per poder fer ús de CIDR, els encaminadors de la xarxa han de ser capaços d’interpretar adreces IP que no pertanyen a cap de les classes convencionals (A, B o C). Per aquest motiu, els encaminadors que fan ús de protocols antics d’encaminament, com ara RIP, no donen suport a CIDR.

Espai d’adreces reservades

Hi ha certs conjunts d’IP que estan reservats per usos especials:

• Quan la part que serveix d'identiﬁcador d’equip és 0, es fa referència a la xarxa a la qual està connectat. Per exemple, un equip amb IP 192.168.2.45/24 es referirà a la seva xarxa com a 192.168.2.0

• Quan la part que destinada a l’identiﬁcador d’equip són tot 1 vol dir totes les màquines; això seria una adreça de difusió (broadcast). Per exemple, un equip amb IP 192.168.2.45/24 es referirà a tots els equips amb 192.168.2.255

• Quan tota l’adreça són 0 indica totes les IPs de la màquina.

• Adreça de loopback. La xarxa 127.0.0.0/8 indica que el paquet es que a la mateixa màquina i retorna internament, es refereix sempre al equip local. Es sol emprar 127.0.0.1.

• Adreces privades. Són adreces que només es poden utilitzar dins d’una organització privada i no són encaminables. Els blocs d’adreces privades són els següents:

10.0.0.0/8: és una classe A que permet 224 hosts a la xarxa. Per la grandària que té se sol dividir en subxarxes.
172.16.0.0/12: és una xarxa que admet ﬁns a 220 equips connectats a la xarxa
192.168.0.0/16: és una classe C que permet ﬁns a 216 equips. Encara que sigui la més petita de les tres és la més comuna.

Divisió en xarxes més petites

La utilització de les adreces privades permet la creació de xarxes empresarials que es poden dividir per formar xarxes més petites que són més fàcils de manipular i controlar.

Gràcies a això, en diferents xarxes privades es poden repetir les mateixes adreces IP, sense que entrin en conﬂicte, ja que l’una no té visibilitat de l’altra. Per tal de tenir accés a Internet caldrà, doncs, fer ús de NAT per traduir les IP internes a una IP pública perquè des de l’altre extrem sembli que la IP és pública.

Exemple d’espai d’adreces reservades. En la ﬁgura podeu veure que hi ha dues empreses connectades a Internet per mitjà d’un servidor connectat a l’encaminador de sortida. Les dues empreses tenen adreces IP de sortida a Internet diferents, tal com podeu apreciar, però en canvi, a les xarxes internes poden utilitzar les mateixes adreces IP. Quan un empleat de l’empresa 1 envia un paquet a Internet té l’adreça IP de l’emissor: IP 86.121.34.5-, que és l’adreça IP amb què aquesta empresa surt a Internet.

Xarxes privades

Exercicis

El protocol IP, en termes de xarxes, no és fiable. Què vol dir això? De quina manera es pot pal·liar?
Què són els rangs d'IP privats? Coneixes alguna xarxa que empri adreçament privat?
Un ordinador configurat per obtenir una adreça per DHCP té l'adreça 169.254.54.211. Què podem deduir-ne?
Quina mida té un paquet ping? Es pot modificar, aquesta mida?
Per defecte, en linux, el paquet ping s'envia indefinidament. Troba l'opció de la línia de comandes per fer que s'enviï un nombre determinat de vegades.
Per defecte, en windows, el paquet ping s'envia quatre cops. Troba l'opció de la línia de comandes per fer que s'enviï indefinidament.
Si un host A no coneix la MAC d'un altre host B, quants paquets circularan per la xarxa per tal que A pugui fer un ping a B? Estudia-ho amb el packet tracer.
Fes la mitjana de temps que tarden 15 pings a: a) el router, b) el servidor DNS que estiguis emprant, c) google.es, d) facebook.com
Algú va dir una vegada que un traceroute són molt pings seguits. Estàs d'acord?
Què és el TTL i què té a veure amb el traceroute?
Amb l'ordre traceroute, esbrina a quants bots estem de iesjoanramis.org, caib.es, google.es, kent.nu
Baixa't Open Visual Traceroute i executa'l i fes algunes proves per veure per on van els paquets.
Introdueix “arp -a” al prompt i explica què és el que hi surt. Fes ping a la ip d'un company teu que no surti al teu ordinador amb “arp -a”. Una vegada fet el ping, torna a fer “arp -a” i explica què ha passat i perquè ha passat.
Donada la següent captura del wireshark, i contesta

Quina versió del protocol empra?

Quina és la longitud de la capçalera?

A quin protocol de la capa superior anirà el paquet?

Quina són les adreces d'origen i de destinació? Són adreces públiques o privades?

Quin temps de vida té el paquet?

Donada la següent captura del wireshark, i contesta